● IC封裝的無鉛化
面陣列封裝結構已經(jīng)標志著電子封裝領域的第二次革命。目前,大規(guī)模集成電路的封裝已經(jīng)普遍采用面陣列互連結構的倒裝芯片技術（Flip-Chip）。這種封裝最大的特點是采用面陣列排列的鉛錫合金焊球取代四周的金屬（銅合金）引腳;采用面陣列的鉛錫合金凸點取代引線鍵合。無論是鉛錫合金球還是鉛錫合金凸點,均為含鉛合金。將目前的鉛錫合金的球或凸點改用無鉛合金球或凸點已經(jīng)成為微電子封裝無鉛化的重中之重。
● IC的無鉛合金封裝
我們知道,IC晶圓內(nèi)部的I/O引出材料是鋁（膜）。而鋁不能直接和凸點進行互連,必須形成一過渡的金屬化層,這就是UBM層。其結構如圖2所示。經(jīng)過多年的研究與工業(yè)應用,已經(jīng)形成了針對含鉛凸點的UBM體系。這種UBM體系的兩種基本結構為：Cr-Cu/Cu/Au和Al/Ni(V)/Cu。
要實現(xiàn)IC封裝的無鉛化,對于上述UBM體系而言,不能簡單地用無鉛材料去直接取代含鉛的球或凸點。主要原因有二：
一是無鉛焊料的熔點比目前普遍采用的Sn-Pb 焊料(183℃)熔點高,而UBM和其底部硅片的裂紋傾向?qū)㈦SUBM薄膜應力或厚度的增加而增加。所以UBM層要盡可能的薄,這就導致在較高的焊合溫度下,無鉛焊料與較薄的UBM層反應加劇,使UBM的溶解速率增加,同時也使界面上金屬間化合物（IMC）的形成速率增加。因為無鉛的焊球(或凸點)與UBM之間的互連界面和鉛錫合金與UBM的互連界面有很大的差別。這些差別導致UBM層和互連凸點間的界面反應、凸點內(nèi)形成的IMC生長及形態(tài)變化、UBM中的Cu和Ni的溶解特性、UBM的剝離等特性發(fā)生變化;進而在IC芯片有鉛與無鉛互連工藝性能、互連焊點的力學性能和電學性能上也有較大的差別。
二是無鉛凸點與含鉛特別是高鉛凸點相比,無鉛凸點的Sn含量很高。在互連過程中,Sn基的無鉛凸點將會溶解UBM中的Cu和Ni并分別形成多種不同的Cu-Sn和Ni-Sn 金屬間化合物。一旦潤濕層消耗完畢,IMC將從粘附層剝離,形成脆性界面。
因此對于無鉛凸點的UBM設計應考慮如何減小Cu或Ni的消耗速率�；谏鲜鲈�,需要詳細研究在UBM上形成了無鉛凸點后,在隨后的過多次熱過程（回流過程）中,凸點與UBM界面上的變化規(guī)律。這一問題既是當今國際IC制造業(yè)極為關注的問題,更是微電子學與材料科學研究者關注的科學問題。
● 電遷移現(xiàn)象
面陣列互連的出現(xiàn),解決了大規(guī)模集成電路封裝的瓶頸,使得封裝面積（尺寸）與晶片面積之比實現(xiàn)了1:1。采用面陣列封裝結構的Flip-Chip技術后,凸點直徑與間距變得越來越小,完全有能力做到小于50微米。這必然導致互連引線與凸點中的電流密度增大,有可能達到甚至超過發(fā)生電遷移的臨界電流密度（104A/cm2）。電流密度的增大使芯片產(chǎn)熱量增大,高電流密度和較高的溫度共同作用將使互連引線及凸點中發(fā)生電遷移失效。
電遷移（EM）是導電材料在通過較高的電流密度時產(chǎn)生的金屬原子會發(fā)生沿著電子移動方向遷移的擴散現(xiàn)象,容易在異種金屬互連的界面出現(xiàn),是引起集成電路失效的一種重要機制。電遷移使高密度面陣列封裝形式的IC互連在工作中產(chǎn)生短路或斷路,從而引起IC失效。圖3是倒裝芯片封裝結構采用SnAgCu凸點互連電遷移失效的照片。
IC封裝中的無鉛界面問題以及電遷移問題是封裝領域中尚未解決的問題,它將對國際電子封裝業(yè)特別是我國微電子制造業(yè)的無鉛化進程產(chǎn)生嚴重影響。
綜上所述,電子封裝的無鉛化已經(jīng)在世界范圍內(nèi)成為趨勢。各國紛紛出臺相關法律法規(guī)限制或廢止鉛在電子產(chǎn)品中的使用,主要發(fā)達國家已經(jīng)開始逐漸使用無鉛焊料作為消費類電子產(chǎn)品封裝材料,而且相當重視這方面的研究。反觀我國電子工業(yè),無鉛化進程大大落后于世界潮流,作為重要技術儲備的無鉛相關專利數(shù)量極少,也沒有真正推出無鉛電子產(chǎn)品。如果任由這種情況發(fā)展下去,我國今后將陷入無鉛知識產(chǎn)權上處處受制于人的尷尬境地,以出口為主導的電子產(chǎn)品制造業(yè)將面臨世界全面禁鉛的巨大打擊。
所以我們應當借助目前國內(nèi)環(huán)保意識逐漸提高這一背景,設法推動國內(nèi)盡快開展無鉛方面的立法工作,提高電子工業(yè)界對于電子產(chǎn)品無鉛化的重視程度。同時,國內(nèi)各相關研究機構也應當大力開展與工業(yè)界的合作,解決無鉛化進程中遇到的各種問題。
印刷業(yè)已完全告別了“鉛與火”的時代,電子業(yè)也應該及早摒棄有鉛焊料,而進入“無鉛”的世界。
聯(lián)系作者：ypwu@public.wh.hb.cn
關注世界無鉛化進程
鉛對人體的危害已成為共識,各國及相關機構出臺了很多有關無鉛的提議和法規(guī),要求限制和禁止電子制造領域使用損害環(huán)境和人類健康的含鉛材料。自美國的反鉛議案HR—5374（美國國會）、S—2637和S—391（美國參議院）提出以來,國內(nèi)外的各種組織、科研機構和公司紛紛推出系列禁用提案、試驗評估和環(huán)保產(chǎn)品。美國NEMI（National Electronics Manufacturing Initiative）于1999年開始“NEMI無鉛工程”,在電子封裝的無鉛化上面進行了大量工作,并積極推動美國國會和政府通過并實施相關法案,全面禁止鉛在電子工業(yè)中的使用。相比之下,歐洲在電子產(chǎn)品無鉛化上態(tài)度更加積極,歐盟WEEE (The Waste Electrical and Electronic Equipment,電子電氣設備廢棄物)和RoHS（Restriction of Hazardous Materials,有害物質(zhì)限制法案）規(guī)定,自2006年7月1日起,在歐盟市上銷售的全球任何地方生產(chǎn)的屬于規(guī)定類別內(nèi)的電子產(chǎn)品中不得含鉛。在日本,“家用電子回收法案”強調(diào)了對鉛的限制和循環(huán)。JIEP（Japan Institute of Electronics Packaging）已經(jīng)要求2003年新產(chǎn)品全部采用無鉛焊錫,2007年徹底廢除電子產(chǎn)品中鉛的使用
