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一講到“倒裝芯片（Flip-Chip，簡稱：FC）”，相信同行的朋友們并不陌生，它是一種無引腳結構的芯片封裝技術。一般含有電路單元，它將芯片有源面（即帶有電路的一面）朝下，通過凸點與基板直接連接，而不是傳統的引腳連接方式。其原理是在芯片的 I/O 焊盤上直接沉積，或者通過 RDL 布線后沉積凸塊（包括錫鉛球、無鉛錫球、銅柱凸點及金凸點等），然后將芯片翻轉，進行加熱，使熔融的焊料與基板或框架相結合，將芯片的 I/O 扇出成所需求的封裝過程。

因為芯片倒裝（FC）焊工藝采用焊料凸點式的芯片鍵合,也稱為可控塌陷芯片連接,這種倒裝技術為微電路器件提供了一種高密度、低電感的導電路徑,芯片倒裝焊接由三部分組成：芯片表面的凸點下金屬層(UBM)、基板表面的頂層金屬層(TSM)、焊料球。芯片與焊料球的結合如圖所示、芯片倒裝（FC）焊位置如下圖所示：

而芯片表面的UBM 焊盤,由起著不同作用的三層金屬膜構成：芯片焊盤表面的黏附層、焊料潤濕層、氧化保護層。倒裝焊一般采用載流焊工藝,焊球通過固→液→固的變化,使焊料球牢固地與芯片鍵合在一起,典型的焊球尺寸是寬 100~250μm,高50~200μm。焊料球多采用PbSn、PbIn兩類焊料;UBM多層金屬結構中,黏附/阻擋層采用Cr/CrCu或TiW 結構,潤濕層采用Cu、Ni或Ag,氧化保護層采用Au;TSM金屬化層一般選擇Ti/Au。

在以上這種焊點相關界面（如 Under Bump Metallurgy (UBM) 和 Top Surface Metallurgy (TSM) 與焊料球界面等）出現性能下降的情況，主要表現為鍵合界面接觸電阻增大、鍵合強度下降以及在溫度循環條件下鍵合界面易發生開裂等問題 時，即芯片倒裝（FC）的焊界面退化，也是本章節要跟大家分享的主要內容。

一、倒裝芯片（FC）焊界面退化的機理

因為芯片倒裝焊點在穩態溫度條件下的失效，主要表現為Under Bump Metallurgy (UBM) 和Top Surface Metallurgy (TSM) 與焊料球界面處因金屬間化合物持續生長，所導致的鍵合界面接觸電阻增大及鍵合強度下降。此外，在溫度循環條件下，該鍵合界面也易發生開裂。此類失效機理與UBM/TSM的材料選擇、結構設計、幾何尺寸、焊料成分、基板材料以及工作環境溫度密切相關。

1、金屬間化合物生長

金屬間化合物的形成主要集中于UBM/TSM界面以及焊料體內部。其形成機理源于再流焊工藝過程中界面處金屬原子的相互擴散。具體而言，在進行倒裝焊時，芯片和基板上的大量金屬原子會溶解到液態焊料中。這些原子首先在UBM/TSM界面處形成初始的金屬間化合物層，其形成速率和厚度取決于基體金屬在液態焊料中的溶解度。當焊料冷卻固化時，焊料中過飽和的基體金屬會析出，在焊料內部形成分散的金屬間化合物顆粒。因此，在再流焊過程中，若工藝控制不當，導致焊料與芯片、焊料與基板之間的金屬間擴散過度，就會在UBM/TSM界面形成過厚的脆性金屬間化合物層，從而造成焊點性能退化，并為后續使用中界面處的開裂埋下隱患。

2、溫度循環影響

焊接溫度對倒裝焊料凸點的失效部位具有顯著影響。研究表明：對于PbSn倒裝鍵合凸點，當焊接溫度T=340℃時，凸點裂紋傾向于出現在芯片側的UBM/焊料界面附近（見下圖左）；而當焊接溫度升高至T=365℃時，裂紋則轉而出現在基板側的TSM/焊料界面附近（見下圖右）。這種失效部位的轉移，歸因于在更高溫度下，芯片側TSM界面的AuSn金屬間化合物會加速生長，導致該區域成為新的薄弱環節。

在影響芯片倒裝焊凸點可靠性的諸多因素中，Au元素的作用尤為關鍵。當Au元素進入PbSn焊料后，會迅速與Sn反應形成Au/Sn金屬間化合物（如AuSn?），導致焊料脆化，進而引發兩類主要問題：

（1）脆性金屬間化合物厚度的增加，以及界面處Sn元素被大量消耗，共同導致焊點的機械性能顯著下降。

（2）在脆性金屬間化合物層附近，由于Sn的消耗會形成富Pb的軟質區，該區域在熱循環應力作用下，極易成為裂紋萌生和擴展的路徑。

二、倒裝芯片（FC）焊界面退化的影響因素

出現以上焊界面退化的主要影響因素有以下三點：

1、材料相關因素

a. UBM/TSM材料

Under Bump Metallurgy (UBM) 和 Top Surface Metallurgy (TSM) 的材料選擇對焊界面退化影響顯著。不同的UBM/TSM材料在再流焊過程中，與焊料之間的金屬間化合物形成情況和性能不同，其材料特性決定了金屬間化合物的生長速率、種類和分布，進而影響鍵合界面的接觸電阻和強度。例如，某些UBM/TSM材料可能更容易與焊料形成脆性金屬間化合物層，導致焊點性能退化。

b. 焊料成分

焊料的成分決定了金屬間化合物的種類和形成過程。不同成分的焊料在再流焊過程中，基體金屬在液態焊料中的溶解度不同，原子擴散和反應情況也不同，從而影響金屬間化合物層的厚度和性能。合適的焊料成分可以控制金屬間化合物的生長，減少焊界面退化的風險。

c. 基板材料

基板材料的熱膨脹系數等特性與芯片不匹配時，會導致熱應力產生。在工作環境溫度變化時，熱膨脹系數的差異會加大芯片與基板之間的熱應力失配，加速焊界面退化。同時，基板材料的某些特性也可能影響金屬間化合物的形成和分布。

2、結構與工藝因素

a. UBM/TSM結構設計與幾何尺寸

UBM/TSM的結構設計、幾何尺寸會影響金屬間化合物的形成和分布。合理的結構設計和幾何尺寸可以控制金屬間化合物的析出位置和生長方向，避免在UBM/TSM界面形成過厚的脆性金屬間化合物層。例如，特定的結構設計可以使金屬原子在擴散過程中更均勻地分布，減少局部金屬間化合物的過度生長。

b. 焊接溫度與工藝控制

焊接溫度對倒裝焊料凸點的失效部位具有顯著影響。在再流焊過程中，若工藝控制不當，如焊接溫度過高或保溫時間過長，會導致焊料與芯片、焊料與基板之間的金屬間擴散過度，從而在UBM/TSM界面形成過厚的脆性金屬間化合物層，造成焊點性能退化，并為后續使用中界面處的開裂埋下隱患。此外，焊接溫度的均勻性也會影響焊界面的質量。

3、工作環境因素

工作環境溫度的變化，特別是溫度循環，會產生熱應力。溫度循環產生的應變在裸片邊角處最為嚴重，會加大基板和硅片之間熱膨脹系數嚴重失配造成的影響，使得鍵合界面易發生開裂。同時，溫度循環也會加速金屬間化合物的生長，進一步導致焊界面退化。

另外，因界面退化會導致芯片與基板之間的電氣連接可靠性下降，可能引發系統故障。因此，需通過改進材料配方、優化工藝參數等措施，降低退化風險。

三、倒裝芯片（FC）焊界面退化的解決措施

倒裝芯片焊界面退化的解決措施可歸納為以下四方面，結合工藝優化、材料改進和設備調整實現：

1、激光加熱技術

激光 + 測溫同軸精準控溫的倒裝芯片焊接技術，能嚴格控制溫度曲線、保證凸點潤濕均勻性，同時規避熱膨脹系數失配導致的應力損傷、金屬間化合物（IMC）異常生長及細間距凸點橋接等問題，有助于減少焊界面退化的可能性。邁射科技半導體激光加熱技術采用激光、測溫同軸設計，溫度探測響應時間僅 1ms，能實時捕捉加工區域的溫度變化，避免溫度滯后導致的控溫偏差。

2、清洗工藝

倒裝芯片通過回流焊焊接在基板上后，因需用填充料對裸片進行填充，所以需要對芯片和基材之間狹小空間里的助焊劑殘留物進行清洗，以防止填充時出現分層、空洞和條紋等界面缺陷，為底部填充提供適當的潤濕度，防止空洞產生，一定程度上保障焊界面的穩定性。

3、材料與結構優化

可通過選擇高純度填充料和焊料，提升界面潤濕性和機械強度，從而在倒裝芯片設計中采用更緊湊的凸點布局，降低焊點應力集中。

4、設備與工藝協同

引入智能溫控系統，精確控制回流焊溫度曲線，減少熱沖擊對焊界的影響。同時還需要結合自動化設備提升封裝對位精度，降低因人為誤差導致的虛焊風險。

通過上述措施，可系統提升倒裝芯片焊界質量，減少退化風險。

四、總結一下

倒裝芯片（FC）焊界面退化的核心是金屬間化合物（IMC）過度生長、熱機械疲勞、電遷移、界面空洞 / 分層四大機制疊加，最終導致接觸電阻上升、機械強度驟降、焊點開裂 / 脫落。可通過UBM 選材、焊料優化、回流 / 底部填充工藝控制、結構應力優化可顯著提升可靠性，可為倒裝芯片（FC）工藝技術能力的提升貢獻出不小的力量。

審核編輯 黃宇