用于玻璃芯封装的超高速半导体芯片键合：采用强脉冲光焊接技术

 1. 引言 

对电子设备小型化、性能提升和功能增强的不断追求，推动了电子封装技术的显著进步。其中，铜柱凸点已成为高密度互连的关键平台，与传统的焊料凸点相比，它具有更优异的细间距能力、电气性能和热管理性能。与传统焊球在细间距缩放方面存在焊料桥接和尺寸较小时机械稳定性不足等局限性不同，铜柱凸点具有更好的可扩展性、更高的载流能力和更优异的散热性能，使其非常适合细间距应用。值得注意的是，铜柱凸点既能提供机械支撑，又能增强硅芯片与衬底之间的电气连接，从而有助于实现三维集成和系统级封装等先进封装架构。

在先进封装领域，玻璃基板作为传统有机基板和硅基板的替代品，已引起广泛关注。玻璃基板具有诸多优势，包括：良好的电绝缘性，可最大限度地减少信号损耗和串扰；低介电常数，可降低信号延迟；尺寸稳定性，可在封装过程中实现精确对准；以及适用于大面积加工，从而有助于实现可扩展且经济高效的制造。此外，可以通过工程手段使玻璃的热膨胀系数（CTE）与硅的热膨胀系数相匹配，从而降低运行过程中的热应力。

尽管铜柱凸点与玻璃基板具有这些优势，但集成铜柱凸点仍面临诸多挑战，尤其是在传统的回流焊工艺中。回流焊过程中的高温会因铜柱、焊料和玻璃之间的热膨胀系数不匹配而产生热应力，从而可能导致翘曲、开裂或分层等缺陷。尤其是在高密度封装应用中，翘曲会增加分层和失效的风险。此外，玻璃固有的脆性也会增加其在热循环下发生机械失效的风险。这些挑战凸显了开发替代键合方法的必要性，这些方法既能提供可靠的互连，又能保持玻璃基板的结构完整性。

强脉冲光（IPL）焊接已成为一种很有前景的解决方案。IPL焊接采用高能光脉冲快速加热焊料，将传统回流焊所需的5-10分钟热暴露时间缩短至仅10-12秒。这种快速加热过程能够将能量精确传递至特定区域，同时最大限度地减少对温度敏感基板的热应力。此外，与传统方法相比，IPL焊接具有更高的能源效率和更低的碳排放，其大面积加工能力使其非常适合大批量生产。Ju等人报道，IPL倒装芯片键合通过防止基体中Ag₃Sn的过度金属间化合物（IMC）生长和粗化，从而获得优异的机械性能，因为与回流焊相比，它所需的加工时间和能量更少。

尽管研究人员已经研究了 IPL 焊接在传统基板和不同焊料成分上的应用，其在将铜柱凸点连接到玻璃基板上的应用仍未得到充分探索。因此，有必要进行系统研究，以阐明IPL参数对铜柱凸点互连（尤其是在玻璃基板上）的形成和可靠性的影响。

为了弥补这一知识空白，本研究旨在探讨脉冲激光（IPL）焊接技术在铜柱凸点与玻璃基板连接方面的可行性及优化。研究了包括频率、脉冲宽度和辐照次数在内的各种IPL参数对焊点形成的影响，并探究了由此产生的微观结构演变和金属间化合物（IMC）的形成。建立了这些工艺参数与焊点可靠性之间的相关性，并将IPL焊接的电性能与传统回流焊进行了比较。

这项研究旨在解决高密度封装的技术难题，同时顺应行业对节能环保制造日益增长的关注。研究成果能够充分利用铜柱凸点和玻璃基板的优势，推动封装技术的进步。通过优化工艺参数并运用多种分析方法阐明连接形成的基本机制，本研究为开发可靠、高性能的电子封装解决方案提供了宝贵的见解。

 2. 实验步骤 

为了评估采用IPL技术将带焊料盖的铜柱凸点焊接至玻璃基板上的可行性，本文进行了一系列受控实验。采用电镀工艺在6 mm × 6 mm的硅芯片上制备了直径30 μm、高度13 μm、间距50 μm的铜柱凸点。为了便于焊接，铜柱顶部覆盖了高度为6 μm的Sn-2.5Ag焊料。在6英寸玻璃晶圆上制备了包含Kelvin结构的玻璃基板，并用于测量互连电阻。评估了不同IPL焊接条件下铜柱凸点和玻璃基板的电性能。图 1概述了所制造的铜柱凸点和玻璃基板。

图 1. (a) 硅片上镀覆铜柱凸点的场发射扫描电子显微镜 (FE-SEM) 图像；(b) IPL 焊接后焊料覆盖的铜柱凸点的场发射扫描电子显微镜 (FE-SEM) 图像；(c) 硅芯片-玻璃封装的光学图像；(d) 玻璃基板的横截面示意图；(e) 使用 IPL 焊接的凸点和键合示意图；(f) IPL 工艺参数。

IPL焊接采用Hi-Pulse 45000系统（韩国PSTEK公司）进行，该系统包含两个主要阶段：凸点成型和键合。在凸点成型阶段，铜柱上的焊锡帽经IPL处理形成凸点，如图所示。图 1a、b. 在键合阶段，凸点铜柱被键合到玻璃基板上，形成可靠的互连（图 1c）。图 1d展示了玻璃基板的横截面示意图，而图 1e展示了整个实验过程。IPL焊接由三个工艺参数控制（图 1f) 脉冲频率、脉冲宽度和辐照次数。通过实验研究这些参数对工艺温度和电性能的影响，从而优化这些参数（表1）。

表1. IPL处理条件

首先，测量了各种 IPL 参数下的工艺温度：脉冲频率为 5.7 Hz，脉冲宽度为 0.51–0.66 ms。为了进行比较，使用红外四区回流焊机（RF-430-N 2，日本脉冲实验室株式会社）进行传统回流焊，温度曲线为 150、170、230 和 250°C，持续时间为 5 分钟。焊接过程中的温度由连接到 MIDI 数据记录仪 GL980（GRAPHTEC，日本）的热电偶测量。

采用场发射扫描电子显微镜（SU5000，日立高新技术公司，日本）分析了铜柱凸点的微观结构。获取了焊点的横截面图像，以观察金属间化合物（IMC）的厚度和形貌。此外，还使用聚焦离子束（Crossbeam 540，蔡司公司，德国）对IMC层进行了横截面分析和高分辨率成像。

通过使用开尔文结构测量互连电阻来评估电气性能，从而确保对焊点导电性的准确评估。这些测量有助于比较脉冲光刻（IPL）焊点和回流焊焊点的性能。此外，还分析了脉冲光刻参数（脉冲频率、脉冲宽度和照射次数）对金属间化合物（IMC）形成、电阻和焊点微观结构的影响，以确定将铜柱凸点焊接到玻璃基板上的最佳条件。

 3. 结果与讨论 

3.1 微观结构

优化IPL参数对于实现可靠的铜柱凸点互连至关重要。首先，评估了IPL焊接工艺在铜柱凸点互连中的可行性。随后，通过研究微观结构演变和电性能，利用IPL焊接工艺实现了性能更优的铜柱互连。图 2说明了 IPL 焊接在铜柱凸点互连中的可行性，揭示了随着 IPL 辐照次数从 30 次增加到 60 次，铜柱上 Sn-2.5Ag 焊料结构发生的明显变化。图2 a-d分别展示了在5.7 Hz和0.57 ms的脉冲光照射条件下，焊接过程随脉冲光照射次数（30、40、50和60次）的变化。在较低的照射次数（30和40次）下，能量输入不足导致焊料熔化不完全。在60次照射下，焊料完全熔化，表明焊点成功形成并达到最佳微观结构。

图 2. Sn-2.5Ag 覆盖的 Cu 柱凸起的 FE-SEM 图像，作为 IPL 辐照次数的函数：（a）5.7 Hz，0.57 ms，30；（b）5.7 Hz，0.57 ms，40；（c）5.7 Hz，0.57 ms，50；和（d）5.7 Hz，0.57 ms，60。

图 3图示为不同IPL条件下峰值温度的变化。具体而言，脉冲频率固定为5.7 Hz，脉冲宽度从0.51 ms变化至0.66 ms，脉冲数分别为60、66和72。随着脉冲宽度从0.51 ms增加到0.66 ms，峰值温度在所有脉冲数下均呈线性增长。在所有测试参数中，脉冲宽度对温度的影响最为显著，每增加0.15 ms（最小脉冲宽度0.51 ms的29.4%），平均温度升高33.7 °C。此外，在给定脉冲宽度下，随着照射次数从60次增加到72次（最小值60次的20%），峰值温度也随之升高，平均升高8.3 °C。

图 3. 在各种 IPL 条件下测量的 Si 芯片上的峰值温度。

为了检验辐照次数的影响，对在 5.7 Hz 和 0.57 ms 下接受 60 至 69 次辐照的样品进行了横截面分析，并以回流焊作为参考（图 4所有样品均在界面处形成Cu₆Sn₅金属间化合物（IMC），与焊接方法和键合条件无关。在较低的辐照次数（60-66次）下，能量输入不足导致Ag₃Sn生成有限，且在焊料基体中分布不均匀。随着辐照次数的增加，Cu₆Sn₅ IMC层逐渐增厚。在辐照次数为69次的情况下，增加的热能促进了Ag₃Sn的生成，并使其分布更加均匀。相比之下，回流焊样品由于长时间的热暴露，虽然Ag₃Sn的生成量保持稳定，但其IMC层更厚。

图 4. 不同 IPL 条件下带焊料盖的铜柱凸点的横截面聚焦离子束 (FIB)/SEM 图像：（a，f）5.7 Hz，0.57 ms，60；（b，g）5.7 Hz，0.57 ms，63；（c，h）5.7 Hz，0.57 ms，66；（d，i）5.7 Hz，0.57 ms，69；以及（e，j）常规回流焊。

图 5图示为采用 5.7 Hz 脉冲频率、增加脉冲宽度（从 0.57 ms 到 0.66 ms）以及辐照次数（从 60 到 69）对焊点进行横截面分析的结果，旨在研究辐照次数对界面反应的影响。横截面图像展示了界面微观结构的演变，并以回流焊样品作为对比。此外，还展示了俯视 IMC 图像（图 5图 f–j) 是在去除焊料覆盖层后获得的，揭示了界面处 IMC 晶粒的详细形貌。与回流焊样品相比，IPL 焊接样品中的 IMC 层更薄更细，且 IMC 晶粒形貌存在显著差异。此外，随着辐照次数的增加，IPL 焊接样品中的Cu₆Sn₅ 层变得更大更厚。

图 5. (a–e) 不同 IPL 条件下 Sn–2.5Ag 盖铜柱凸点焊料盖蚀刻后的横截面 SEM 图像和 (f–j) 界面 IMC 形貌：(a, f) 5.7 Hz，0.66 ms，60；(b, g) 5.7 Hz，0.66 ms，63；(c, h) 5.7 Hz，0.66 ms，66；(d,i) 5.7 Hz，0.66 ms，69；以及 (e, j) 常规回流焊。

图 6本文对金属间化合物（IMC）厚度进行了定量测量。在5.7 Hz脉冲光（IPL）条件下，脉冲宽度从0.57 ms增加到0.66 ms，辐照次数从60增加到69，分别导致IMC厚度从约0.83 μm增加到1.34 μm，以及从0.96 μm增加到1.57 μm。在两种条件下，IMC厚度均随辐照次数的增加而逐渐增加，且在相同的IPL辐照次数下，5.7 Hz、0.66 ms条件下的IMC厚度始终大于5.7 Hz、0.57 ms条件下的IMC厚度。相比之下，回流焊样品的IMC层厚度明显更厚，平均为2.19 μm。这些结果结合了微观结构观察和定量测量，揭示了IPL参数与微观结构演变之间的关系。

图 6. IPL 工艺与传统回流工艺界面 IMC 厚度的比较。

在固定频率 5.7 Hz 下，脉冲宽度从 0.57 ms 增加到 0.66 ms 时，Cu₆Sn₅层厚度的增加很可能是由于峰值温度的变化所致。如表 2所示，在 5.7 Hz 频率下增加脉冲宽度，峰值温度从 224.9 °C 升高到 245.5 °C。较高的峰值温度促进原子扩散，为界面反应的发生提供充足的时间，从而增加金属间化合物 (IMC) 层的厚度。

表2. 不同IPL焊接条件下的工艺时间、峰值温度和IMC厚度

3.2 电气性能

在确定了铜柱凸点形成的最佳IPL条件后，将芯片键合到带有集成开尔文结构的玻璃基板上（图 1c）。图 7图示为在脉冲光（IPL）键合条件下测得的温度曲线。随着脉冲光的持续照射，温度逐渐升高，并且峰值温度也随照射次数的增加而升高。照射次数从45次增加到60次，峰值温度从272.1℃升高到316.8℃。

图 7. 在各种 IPL 键合条件下测量的 Si 芯片的温度分布。

通过电阻测量评估了这些互连的电气特性（图 8）。图8 a和b分别展示了电阻和总IMC厚度（铜柱侧和焊盘侧IMC厚度之和）随辐照次数的变化。如第2节所述，芯片与玻璃基板的键合采用了不同的键合参数（表1）。在45次辐照后，由于焊料熔化不完全和焊点键合不足，互连电阻较高，这可以从横截面图像中看出。图 8 c随着辐照次数增加到最佳范围 50–60 次，互连处的电阻值最低：50 次辐照时为 5.26 mΩ，55 次辐照时为 5.74 mΩ，60 次辐照时为 5.06 mΩ。这些数值表明熔化完全，焊点形成良好。相比之下，回流焊焊点的电阻较高，平均为 7.09 mΩ。焊点界面处形成的 Cu₆Sn₅的电阻率为 17.5 μΩ·cm，高于 Sn 的电阻率 10.1 μΩ·cm。（31）因此，随着接头界面处形成的Cu₆Sn₅体积分数的增加，互连电阻也随之增加。因此，在IPL焊接条件下（由于处理时间相对较长，形成的Cu₆Sn₅金属间化合物较薄），测得的互连电阻低于回流焊接条件下（由于处理时间相对较长，形成的Cu₆Sn₅金属间化合物较厚）。IPL焊接接头优异的电性能可归因于其形成的金属间化合物层比回流焊接接头中的更薄。

图 8 (a) 在不同 IPL 条件下使用开尔文结构测量的电阻。(b) 总 IMC 厚度。(c) 与图 a 和 b 对应的横截面 SEM 图像。

此外，与传统的回流焊相比，IPL焊接显著缩短了加工时间并降低了整体能耗，从而提高了能源效率，有助于提升电子封装领域的环境可持续性。IPL焊接的平均功耗Pavg计算如下：

其中，V代表充电电压，Ipeak代表峰值电流，T代表脉冲宽度，f代表IPL照射频率。表3比较了IPL和回流焊的功耗。回流焊消耗29.5千瓦时，而IPL焊的最低能耗仅为7.1千瓦时，降幅超过75%。这一结果表明，IPL焊比传统焊工艺的能效显著更高。

表3. IPL与传统回流焊的功耗比较

总体而言，在高能耗半导体制造工艺中采用IPL焊接技术可以显著降低能耗并提高环境可持续性。IPL工艺的高能效与参数优化带来的微观结构控制和焊点可靠性提升相辅相成。

3.3 工艺参数、微观结构和性能之间的关系

对实验结果的全面分析揭示了IPL工艺参数、最终微观结构和连接性能之间的明显相关性。对于凸点工艺，在5.7 Hz的频率和0.57–0.66 ms的脉冲宽度下可获得最佳性能。对于芯片与玻璃基板的键合，在2.5 Hz的频率、2.0 ms的脉冲宽度和50–60次辐照下可获得最佳互连性能。与传统回流焊相比，这种两步优化方法实现了对IMC生长的可控控制和更高的导电性。

IPL焊接接头优异的性能，尤其是其更高的导电性，可归因于薄而均匀的IMC层的形成。这些发现强调了IPL焊接相比传统回流焊具有显著优势，尤其是在对可靠性和高性能要求较高的应用中。

 4. 结论 

本研究证明了IPL焊接工艺相比传统回流焊工艺在玻璃基板铜柱凸点互连方面具有优势，尤其是在微观结构控制和电性能方面。通过系统的材料表征和IPL参数优化，得出以下结论：

微观结构分析表明，IPL焊接能够更好地控制IMC的形成，与回流焊（2.19 μm）相比，其形成的IMC层更薄（0.83–1.34 μm和0.96–1.57 μm）。通过参数调整来控制IMC生长的能力是IPL相对于传统回流焊工艺的关键优势。

电性能表征表明，IPL焊接接头的互连电阻（5.06和5.74 mΩ）显著低于回流焊接头（7.09 mΩ）。这种电性能的提升与更薄的IMC层的形成直接相关，表明精确的焊接控制可以增强电性能。

此外，IPL焊接在加工效率和环境影响方面展现出显著优势。其加工时间从回流焊的5-10分钟大幅缩短至12秒，同时结合精准的能量输送，降低了能耗和玻璃基板上的热应力。这种能源效率的提升，加上其大面积加工能力，使得IPL焊接在大批量生产应用中极具前景。

这些研究结果表明，IPL焊接是一种可行且具有优势的替代传统回流焊的工艺，尤其适用于热敏基板和细间距互连。IPL焊接兼具优异的电气性能和更低的环境影响，使其成为先进封装领域极具前景的技术。本研究通过阐明工艺参数与焊点性能之间的关系，为开发可靠的高性能电子封装解决方案提供了宝贵的见解。然而，本研究并未探讨焊接后铜柱凸点的机械性能。未来的研究应着重分析微观结构、机械可靠性和电气性能之间的相关性，以更好地了解焊点的整体质量。

来源：美国化学学会第10卷第45期，侵删

ACS Omega 2025, 10, 45, 54826–54833

https://doi.org/10.1021/acsomega.5c08402

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