銦凸點回流時的異常現象的研究

楊超偉，李京輝，王瓊芳，封遠慶，楊畢春，左大凡

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銦凸點回流時的異常現象的研究

楊超偉，李京輝，王瓊芳，封遠慶，楊畢春，左大凡

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

利用濕法回流縮球的技術，使銦柱回流成銦球。在研究中心距為30mm、面陣為320×256的讀出電路在回流縮球的過程中遇到了3種異常現象，即銦球體積異常、銦球橋接和銦球偏離中心位置的現象。詳細地介紹了這3種現象產生的過程及背景，分析了產生這3種現象的機理以及對器件性能和倒裝互連的影響，并提出了相應的解決措施。

銦凸點；回流縮球；銦球體積異常；銦球橋接；銦球偏離中心

0 引言

目前，紅外焦平面探測器已經大量應用于軍事、工業、環境、醫學等方面[1-4]，并且隨著科技的進步，人們對大面陣探測器的需求正在不斷增加[5]。然而，伴隨著像元數目的增加，焦平面和讀出電路的設計及互連的難度也在不斷增大。傳統金絲引線鍵合技術暴露出明顯的缺點，例如：互連電阻高、電路過長、封裝尺寸大及互連密度低等缺點。倒裝互連技術[6]不僅能很好克服上述的缺點，而且其成本低廉，因此得到廣泛的應用。

作為紅外焦平面探測器的一種重要的材料，金屬銦具有一些特殊的物理特性，例如：在液氦溫區下，具有良好的延展性；常溫下具有很好的柔軟性，很容易實現鍵合。對于倒裝互連來說，銦柱的疲勞損傷是個值得關注的問題。對于HgCdTe紅外焦平面探測器來說，由于讀出電路Si和半導體芯片HgCdTe之間熱膨脹系數的差異，當器件受到熱沖擊的時候，讀出電路Si和芯片HgCdTe之間的銦柱承受著很大的應力，熱沖擊使得Si和HgCdTe之間產生相對位移，進而使得銦柱和金屬pad之間產生剪切位移，Jang等人[7]研究發現在熱沖擊的過程中，銦柱的剪切位移為：

式中：0為銦柱節點到芯片中心的距離；D為溫度的變化；FPA為芯片的熱膨脹系數；Si為讀出電路Si的熱膨脹系數；solder為銦柱的高度。

從式(1)中可以發現，當銦柱的高度增加時，剪切位移在減小，這也就意味著Si和HgCdTe之間的剪切力在減小。此外，銦柱的剪切強度和銦柱的抗疲勞壽命相關，具體的關系如下[8]：

從式(2)中可以看到，銦柱的抗疲勞壽命和銦柱的高度成正相關，即銦柱的高度越高，其抗擊熱沖擊的壽命就越長。此外，銦柱的高度增加，有助于減小對倒裝互連中調平的要求。其次，提高銦柱的高度可以為芯片HgCdTe和Si焊接封裝后，提供足夠的間隙，從而有利于下填充時膠的流動，進而實現良好的灌膠封裝。

為了提高銦凸點的高度，回流縮球技術已被廣泛應用，一般分為干法熱熔回流[8]和濕法熱熔回流[9]，其基本原理就是加溫銦柱使之融化，利用銦的表面張力和UBM的浸潤作用使銦柱變成銦球，進而提高銦凸點的高度。此外，回流縮球后的銦球相比回流前的銦柱，由于各向異性的增加，其剪切強度會增強，清華大學的劉豫東等人[10]研究發現，回流縮球后銦球的剪切強度是回流前銦柱的2.9倍，銦球剪切強度的增強有助于增強器件的可靠性。

從上述研究可見，銦凸點的回流縮球是倒裝互連中必不可少的，并且是極其重要的一道工序，因此研究銦凸點在回流縮球中出現的一些異常現象及其產生機理就顯得尤為重要。本文利用濕法回流縮球[9]的技術，使銦柱回流成銦球，研究了在回流縮球的過程中遇到的3種異常現象。介紹了這3種現象產生的過程及背景，分析了產生這3種現象的機理，并提出了相應的解決措施。

1 實驗

1.1 銦球的制備

銦球的制備過程如圖1所示，依次為：光刻UBM孔，UBM沉積，光刻銦柱孔，銦柱生長，剝離，銦柱濕法回流成球[9]。

1.2 銦球的形貌表征

采用美國FEI公司的Quanta/600FEG型場發射掃描電子顯微鏡和日本的Olympus金相顯微鏡分別對樣品進行了形貌分析。

2 實驗結果與討論

2.1 正常銦球形貌

圖2所示的是回流縮球后正常的銦球形貌圖。從圖中可以看到銦球的大小均一，銦球的中心距為30mm，銦球的直徑為13.7mm，銦球的直徑可以近似為銦球的高度，即回流縮球后銦球的高度可以近似為13.7mm。回流成球形一般來說有兩點好處[11]：①由光刻直接形成的銦柱，不僅形狀不規整，表面粗糙，凹凸不平，而且高度也會參差不齊。銦柱回流縮球后基本形成了一個個的球形，高低不同的銦柱縮為球形后，高度差變小，更利于互連焊接；②由于在互連焊接工藝中，焊接銦柱時需要一定的壓力，在探測器上可能造成機械損傷。所以在完成焊接任務的前提下，應盡量減小壓力。球形的幾何形狀在焊接開始時接觸面較小，并且回流縮球后表面更為清潔，銦更軟，使用較小壓力便可完成焊接。

圖1 銦球制備流程圖

圖2 回流后正常的銦球在不同放大倍數下的SEM圖

2.2 銦球體積異常形貌分析

圖3所示的是未回流的銦柱形貌圖和回流后銦球體積異常的形貌圖。圖3(a)為未回流的銦柱形貌圖，正如前面所討論的，銦柱形狀不規整，表面粗糙，凹凸不平。圖3(b)所示的是回流后銦球體積異常的形貌圖。在圖3(b)圈線的區域中，可以發現中間的銦球體積明顯大于其他的銦球。銦球的體積越大，也就意味著銦球的高度越高，這樣會直接導致在倒裝互連的時候，中間的大銦球互連上，而其四周的小銦球沒有互連上，最終導致器件盲元的產生。出現這種現象的原因可能是在銦柱剝離時有些銦柱邊緣沒有剝離干凈，銦柱邊緣殘留一些不容易觀察到的銦膜，如圖3(a)中的方框區域所示，這樣就導致銦柱的總體積大于其他銦柱，韓國的Y. H. Kim等人[8]研究給出了回流縮球前后體積變化的關系即：

式中：為回流前銦柱的體積；為回流后的銦球的高度。從式(3)中可以發現回流后銦球的高度和回流前銦柱的體積成正相關，即回流前銦柱的體積越大，則回流后的銦球的高度越高，銦球的高度可以近似為銦球的直徑，這樣就最終導致了銦球的體積過大。針對這種情況，我們在回流縮球前，把銦柱讀出電路浸泡在乙醇里進行超聲，利用超聲空化作用去除掉銦柱邊緣多余的銦膜，最終結果顯示這種方法可以有效解決該問題。

針對這種銦球體積過大的情況，對于中心距小于30mm的讀出電路，由于中心距較小，剝離比較困難，很容易造成剝離不均勻，有些銦柱四周殘留下一些不容易觀察到的銦膜，最終導致某些銦球體積過大。因此，針對這些間距更小的讀出電路，回流縮球之前的超聲清洗就顯得尤為重要。

2.3 銦球橋接形貌分析

圖4所示的是銦球橋接的形貌圖。從圖中可以看到銦球出現了兩種橋接現象，分別如圖4(a)和圖4(b)所示，圖4(a)所示的是兩個銦球直接連接成了一個大的銦球，圖4(b)所示的是兩個銦球通過一個銦球而連接起來，銦球的橋接會直接導致像元之間的短路。針對圖4(a)中的情況，產生這種情況的原因可能是，在溫度比較高（180℃左右）的有機縮球液中取出讀出電路時角度有傾斜，再加上銦柱本身沒有剝離干凈，兩個銦柱之間有銦膜的搭接，這樣熔融的銦在傾斜流動時，相鄰的液態銦便出現搭接現象。清華大學的劉豫東等人[12]研究認為液態銦內部的壓強為：

＝2/(4)

式中：為液態銦的表面張力，是銦球的曲率半徑，即銦球的半徑。可見，小球內部的壓強高于大球內部的壓強，一旦出現傾斜搭接后，勢必會導致兩個銦球中的某一個體積過大，這樣大球就會吸收小球內部的焊料，最終形成了一個大銦球。

針對這種情況，我們采取的措施如下：①回流縮球前進行超聲清洗，利用超聲空化作用去除掉銦柱之間殘留的銦膜；②取出讀出電路時，先進行降溫，降到銦的熔點以下，再緩慢取出來。采取這樣的措施后，這種情況就不再出現了。

對于圖4(a)的橋接現象，在中心距更小的讀出電路上更容易發生，例如中心距為18mm和15mm的讀出電路，這些讀出電路由于中心間距較小，本身比較難剝離，很容易出現銦柱之間銦膜之間的搭接，而且由于中心間距比較小，處于熔融狀態的銦在傾斜流動時更容易出現搭接現象。為此，上面討論的解決措施對間距更小的讀出電路的回流縮球更加具有借鑒意義。

圖3 未回流銦柱形貌圖和回流后銦球體積異常的形貌圖

此外，在圖4(a)圈線的區域中還可以看到，中間銦球的體積明顯小于其他的銦球，產生這種現象的原因可能是在剝離的時候銦柱剝離的不均勻，使某些銦柱體積小于其他銦柱的體積，由公式(3)可知，銦柱體積越小，回流縮球后的銦球的體積也就越小。由此可見，銦柱的剝離技術是至關重要的。

圖4(b)中的情況，產生的原因目前還不太清楚，但是兩個銦球中間多余的銦球，由于沒有UBM的浸潤作用，不太牢固，很容易超聲清洗掉。

2.4 銦球偏離中心位置形貌分析

圖5所示的是回流后正常的銦球形貌圖和銦球偏離中心的形貌圖。圖5(a)為回流后正常的銦球形貌圖，從圖中可以看到銦球大小均一，而且整齊排列。圖5(b)給出了銦球偏離中心的形貌圖，在圖5(b)圈線的區域中可以清楚看到某些銦球沒在一條線上，銦球的排列不整齊，偏離中心位置，這種現象會直接影響倒裝互連時的對準精度。經分析產生這種現象的原因是，在溫度比較高的縮球液中取出讀出電路時角度有傾斜，這時處在熔融狀態的銦便在重力作用下偏離中心位置，因此我們的解決措施是先降溫再取出，采取這樣的措施后這類問題就不存在了。

此外，還可以通過適當增加縮球時間，讓熔融的銦和UBM中的Au進行充分的浸潤反應，Huang等人[13]研究發現在回流縮球的過程中，熔融的銦和UBM中的Au反應生成Au-In化合物，UBM和銦的結構圖如圖6所示，而且Au-In化合物的厚度會隨著回流時間的延長而增加，Au-In化合物的增加可以使銦球底部更加牢固，不容易發生偏移。

圖4 銦球橋接形貌圖

圖5 回流后正常的銦球形貌圖和銦球偏離中心的形貌圖

圖6 銦柱橫截面結構簡圖

3 結論

本文研究了中心距為30mm、面陣為320×256的銦凸點讀出電路，在濕法回流縮球的過程中出現的3種異常現象，分別討論了這3種異常現象的產生的機理，并給出了相應的解決措施。銦球異常現象的產生過程及機理和相關解決的措施，可以為從事相關方面研究的工作者提供一定的參考價值，進而避免出現同樣的問題。此外，還可以為高密度、大面陣的讀出電路的回流縮球提供一定的借鑒意義。

[1] KUKKONEN C A, GUNAPALA S D, BANDARA S V, et al. Commercialization of quantum well infrared photodetector QWIP focal plane arrays[C]//, 1999, 3698: 706-714.

[2] SCHNEIDER H, WALTHER M, C SCH€ onbein, et al. QWIP FPAs for high-performance thermal imaging[J]., 2000, 7(1-2): 101-107.

[3] GUNAPALA S D, BANDARA S V, SINGH A, et al. 8 to 9mm and 14 to 15mm two-color 640×486 GaAs/ AlGaAs quantum well infrared photodetector (QWIP) focal plane array camera[C]//, 1999, 3698: 687-697.

[4] 陳效雙, 許嬌, 胡偉達, 等. 長波HgCdTe紅外探測器的暗電流機理研究進展[J]. 紅外技術, 2015, 37(5): 353-360.

CHEN Xiao-shuang, XU Jiao, HU Wei-da, et al. Research progresses on dark current mechanisms of long-wavelength HgCdTe infrared detectors[J]., 2015, 37(5): 353-360.

[5] VURAL K, KOZLOWSKI L J, COOPER D, et al. 2048×2048 HgCdTe focal plane arrays for astronomy applications[C]//, 1999, 3698: 24-35.

[6] 耿紅艷, 周州, 宋國峰, 等. 紅外探測器倒裝互連技術進展[J].紅外與激光工程, 2014, 43(3): 722-726.

GENG Hong-yan, ZHOU Zhou, SONG Guo-feng, et al. Flip chip bonding technology for IR detectors[J]., 2014, 43(3): 722-726.

[7] JIANG Jutao, Stanley Tsao, Thomas O’Sullivan, et al. Fabrication of indium bumps for hybrid infrared focal plane array applications[J]., 2004, 45: 143-151.

[8] KIM Young-Ho, CHOI Jong-Hwa, CHOI Kang-Sik, et al. New reflow process for Indium Bump[C]//, 1997, 3061: 60-67.

[9] 王泰升, 魚衛星盧振武, 等. 一種新型焦平面電互連工藝[P]. 中國: CN102881607A, 2013-01-16.

WANG Tai-sheng, YU Wei-xing, LU Zhen-wu, et al.A new focal plane of the electrical interconnection process[P].China: CN102881607A, 2013-01-16.

[10] 劉豫東, 張鋼, 崔建國, 等. 織構對銦凸點剪切強度的影響[J]. 紅外與毫米波學報, 2004, 23(3): 225-228.

LIU Yu-dong, ZHANG Gang, CUI Jian-guo, et al. Effectts of texture on the shear strength of indium bump[J]., 2004, 23(3): 225-228.

[11] 沈天鑄. 紅外焦平面探測器互連中的In縮球工藝[J]. 紅外技術, 2007, 29(2): 96-98.

SHEN Tian-zhu. Indium bump reflow in flip chip inter-connection of infrared focal plane array detectors[J]., 2007, 29(2): 96-98.

[12] 劉豫東, 譚智敏, 錢志勇, 等. 焊料凸點回流時的橋接現象研究[J]. 電子元件與材料, 2002, 21(8): 1-3.

LIU Yu-dong, TAN Zhi-min, QIAN Zhi-yong, et al. Bridge joints caused by solder bumps in reflow soldering[J]., 2002, 21(8): 1-3.

[13] HUANG Qiuping, XU Gaowei, YUAN Yuan, et al. Development of indium bumping technology through AZ9260 resist electroplating[J]., 2010, 20(5): 1-9.

Investigation of Anomalies in Indium Bumps Reflow Soldering

YANG Chaowei，LI Jinghui，WANG Qiongfang，FENG Yuanqing，YANG Bichun，ZUO Dafan

(,650223,)

In this paper, indium bumps were achieved via wet reflow method. In the reflow soldering of the 320×256 read-out circuit array with the pitch size of 30mm, three kinds of anomalies occurred, which were the abnormal volume of indium bumps, bridge joints of indium bumps, and off-centered indium bumps. The technical conditions and the formation of the three anomalies were introduced in detail. The formation mechanisms of the three anomalies and their effects on the device performance and flip-chip were analyzed, and then, the corresponding methods were proposed to avoid the failure.

Indium bump，reflow soldering，abnormal volume of indium bump，bridge joints of indium bump，off-centered indium bump

TN215

A

1001-8891(2016)02-0112-05

2015-09-10；

2015-10-18.

楊超偉，男，（1988-），助理工程師，研究方向：電子器件封裝。E-mail：ycw20xx@163.com。