甲酸回流技术的应用

行业中，电镀的铜柱凸点表面通常会电镀锡层（通常为锡银合金层）用于焊接，由于电镀锡层存在空隙以及残留了电镀液中的添加剂，需要先进行一次回流，让锡层变成半球状的锡帽，去除添加剂的同时也使得凸点外观均一性更佳，便于倒装焊接。但是普通回流工艺可能使锡帽发生氧化，致使倒装焊接过程容易发生虚焊等缺陷，因此雷博微电子推出一种利用甲酸还原性与润湿性进行回流的甲酸回流技术。

1、甲酸回流技术介绍

甲酸回流技术是一种无污染、无残留、免清洗的凸点回流技术，在甲酸和氮气氛围下进行高温制程，严格控制腔体内氧含量，在去除焊料表面氧化物的同时保证良好的回流效果。传统助焊剂回流工艺需要经过助焊剂涂覆、高温回流和助焊剂清洗3个环节，甲酸回流工艺是无助焊剂免清洗工艺，因此仅有甲酸回流一个环节，传统助焊剂回流工艺与甲酸回流工艺对比如下图所示。

2、甲酸回流工艺过程

甲酸回流工艺是将氮气（N2）通入装有液态甲酸的装置中，通过质量流量控制器（MFC）对其流量进行精确控制，采用鼓泡法使得甲酸被N2携带进入设备腔体中,将铜柱完全笼罩，作用是为了去除焊接部位的氧化物以及防止焊接部位再次氧化(去除氧化物时形成缺氧条件)，为提高可焊性提供有利条件，甲酸回流炉设备结构如下图所示。在工艺开始之前，电镀凸点工艺完成后的晶圆经设备上料装置进入缓冲腔体,，需要持续不断地将氮气通入到缓冲腔体中进行排氧，当氧含量达到标准后，先后进入各加热腔体(1、2和3号腔体)，加热腔体采用阶梯式升温，回流完成后进入冷却腔体(4 和5号腔体)进行冷却，温度降至100℃以下时，晶圆被传送回缓冲腔体，经下料装置回到料盒中。

铜柱凸点回流过程分为预热升温阶段、回流阶段和冷却成型阶段，回流温度曲线如下图所示。

预热升温阶段在1号和2号腔体，该阶段需控制好升温速率，同时预留温度缓冲区，以减小品圆进入回流区的热冲击。在该阶段条件下甲酸与金属氧化物(MeO)发生反应，生成盐和水，Me可以是Sn/Ag/Cu，化学反应式如下：

回流阶段在3号腔体，在高温下铜柱上方的锡银合金焊料成为熔融状态，回流阶段需严格控制温度，温度波动太大可能造成回流后铜柱凸点呈不规则球形或出现焊料坍塌等情况。在该温度段，盐会发生分解反应,生成金属单质、二氧化碳和氢气，化学反应式如下：

产生的氢气会进一步将金属从金属氧化物中还原出来，生成金属单质和水，化学反应式如下：

冷却成型阶段在4号和5号腔体中，焊料在温度降低过程中不断收缩成型,最终形成半球形。该阶段需要严格控制降温速率，降温速率过快容易导致晶圆热应力集中，严重时可能有破片的风险。甲酸回流的最终产物是金属单质和水，另外可能还有多余的甲酸蒸汽，水和甲酸均通过设备顶部排气系统排出，因此甲酸回流工艺无多余物引人，回流后产品无须进行清洗。

3、甲酸回流产品可靠性

目前，甲酸回流技术已经成熟并广泛应用在铜柱凸点回流工艺中。甲酸回流后的产品质量受设备腔体内氧含量、甲酸氛围、温度等因素的影响,需严格控制腔体内氧含量，以保证晶圆凸点在回流过程中不会发生二次氧化。在工艺过程中，通过压力控制阀来控制腔体内的气压，保证腔室内气压处于正压状态，以保证腔体内足够低的氧含量，一般腔体内氧体积分数需控制在5×10-5以下。甲酸浓度必须足够高,以确保氧化物被完全还原，甲酸体积分数一般为5%左右，常采用纯度为98%以上的甲酸来进行该工艺。

腔体内温度为阶梯式升温，需要根据焊料成分甲酸性质等条件进行设定。甲酸在适当的焊接温度下才能与金属氧化物反应，需要严格控制升温速率。完全回流对铜柱凸点回流质量的影响如下图(a)所示，若控制不好工艺窗口，则会导致产品质量受到影响；不完全回流对铜柱凸点回流质量的影响如下图(b)所示，这是由于焊料未吸收足够的热量，难以完成回流工艺所致；过度回流对铜柱凸点回流质量的影响如下图(c)所示，焊料吸收的热量富余造成焊料坍塌。同时，为保证晶圆表面温度的准确性，还需要定期采用温度校准实验晶圆进行温度校准，一般腔体内温度需要控制在设定值上下2℃以内。

在产业化过程中,需严格控制甲酸回流过程中的氧含量、甲酸氛围、温度等设备参数,保证铜柱凸点回流后产品质量满足均匀性、剪切力、内部空洞率及外观要求。

4、甲酸回流技术的优势

甲酸回流技术作为一种新型的铜柱凸点回流技术，相较于助焊剂回流技术有着很大的优势。首先是在工艺方面，其能够适用于更小直径、更小节距的凸点回流，良率更高，无引入性杂质，不会发生助焊剂回流中因助焊剂残留导致的电迁移、凸点腐蚀和凸点接触不良等失效情况；其次，产线运营成本更低，助焊剂回流技术的材料成本远高于甲酸回流技术的材料成本。维护保养成本也更低，助焊剂回流技术因受热分解会在炉壁、助焊剂收集器等地方残留，需要定期进行清洁和维护保养，且助焊剂废弃物需要经过特殊措施进行处理。而甲酸回流技术因无多余副产物，因此维护保养周期可更长，可节省人力和增大设备产能；除此之外，甲酸回流技术只需要一台甲酸回流炉即可完成工艺，而助焊剂回流技术需配置氮气回流炉、助焊剂涂覆机和助焊剂清洗机，甲酸回流及助焊剂回流工艺环节如下图所示。相较而言，甲酸回流技术所需设备更少，设备成本更低，同时节约了半导体无尘室的场地空间。