半導體產業正邁入關鍵期,要達到未來的資料中心及行動裝置所需的更佳效能、頻寬及儲存空間,勢必需要 2.5D 及 3D 整合技術。因此,整個生態系統都捲起袖子一同解決問題,以實際的方式克服現存的挑戰。

其中一項挑戰,是確保這些裝置的可靠性,特別是應用於高階伺服器的裝置,如果這裡的零件出現故障,其後果將比發生在消費性電子行動裝置上的故障更加不堪設想。可靠的裝置效能與先進封裝組裝製程有直接關係。

事實上,對資料中心來說,可靠性是至關重要的,所以它仍不在 RoHS 的規範要求中,並且仰賴既有的錫鉛合金做為凸塊製程材料。然而這個情況將於2015年到期,屆時就得遵守RoHS規範而且必須有可用的相應解決方案。

因此,3D IC將面臨雙重挑戰,常規的焊接材料將難以達成所要求的微細間距凸塊,更遑論要求其可靠性。在尚未解決此問題之前,3D IC將難以做為資料中心頻寬的解決方案。

銅柱優勢

市場上,帶有錫銀覆蓋的銅柱可做為在傳統凸塊技術以外的可行方案。 根據Prismark Partners 的報告,2013 年所生產的凸塊晶圓達到 1,400萬片,其中僅有6%使用銅/錫銀覆蓋。

市場調查公司預測,到 2018年,生產的凸塊晶圓總數將成長近一倍,達到2,700萬片,其中35%將使用銅/錫銀蓋板,這甚至還不包括會進一步增加百分比,用於 TSV 應用的微型凸塊(見圖1)。其目標為應用於包括行動裝置、記憶體及高階邏輯晶片。

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圖1:到 2018 年,凸塊晶圓市場預計將成長近一倍,其中使用錫銀覆蓋的銅柱將佔市場 35%。
(來源:Prismark Partners)

從傳統焊接凸塊轉移至使用錫銀覆蓋的銅柱之所以勢在必行,有幾個技術方面的原因。在可控塌陷晶片連接(C4)的凸塊製作上,可回焊的焊料塌陷及散落的問題發生機率為100%。因此,為了預防橋接,凸塊的間距必須限制在大於140μm 。

此外,凸塊的支座高度降低也限制了底部填充劑的流動性。而銅柱能讓凸塊間距更為緊密,且由於銅不流動的特性,其凸塊將能維持良好的支座高度。與錫鉛凸塊相比,銅的另一項優勢為更佳的導熱性,對於如微處理器(MPU) 的高速高頻裝置來說,此點至關重要。最後一點,與無鉛的焊錫材料相比,銅柱不僅同樣無鉛,且成本更低。

優質化工

陶氏電子材料(Dow Electronic Materials)致力於提升 2.5D 和 3D 積體電路的可靠性並改善製程,特別是在用於覆晶接合的電鍍凸塊之先進封裝材料上,無論在可靠性及製程方面均克服重重挑戰,優異表現有目共睹。陶氏所開發鍍銅及鍍錫銀技術,無論在化學材料還是製程方面,當應用於銅柱上時,其相容性及表現均相當優異。

第一代銅柱使用錫膏,但在3D堆疊中,將採用錫銀覆蓋的銅柱作為首選方案。如前所述,由於銅的不回流特性,銅柱需要優異的晶片內厚度控制(WID)。此外,總指示器讀值 (TIR)-柱頂平坦度的指數-在接下來的頂柱錫銀覆蓋回焊製程中,對於避免錫銀凸塊的滑動掉落有至關重要的影響力。

陶氏的 INTERVIA 8540 鍍銅化學材料具備優異的晶片內厚度控制(WID),以及每分鐘約 2?m 的中速電鍍速率。由於其高純度的鍍層特性(約10ppm的總有機雜質),此產品具備優異的物理特性及接合可靠性。

SOLDERON BP TS6000 錫銀化學材料具備高速、一致、精細顆粒的鍍層特性,以及無孔洞的回焊效能,而將兩者相結合,所產生的錫銀蓋板銅柱則具有一致的、無孔洞的介金屬化合物(見圖 2)。

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圖2:銅柱細節圖,展示與 IMC之相容性。
(來源:Prismark Partners)

無縫製程

陶氏的鍍銅及錫銀化學原理的附加優勢,是兩者的絕佳相容性,進而提供更高的產量及更小的製造風險。有別於只提供鍍銅或者錫銀化學材料其中一項技術的其它材料供應商,陶氏專為錫銀覆蓋的銅柱提供最佳化製程整合技術。最後,即能實現可靠的銅-錫銀介面。

當前任務

目前,陶氏正緊鑼密鼓地開發如下表所示、名為 INTERVIA 9000 鍍銅化學材料的新一代的電鍍銅產品。此技術將滿足所有關鍵的設計標準,包括高均勻度的銅柱 (WID 小於 5%);平整的柱外型輪廓(TIR小於 5%);光滑的表面型態;以及與錫銀覆蓋的高相容性(見圖 1)。

另外,當以新型的鍍銅配方搭配 SOLDERON BP TS 6000 錫銀化學材料時,可達到高速電鍍(每分鐘大於 3μm);高均勻度的錫銀鍍層;無孔洞性能(X射線);平滑的表面型態(鍍成後及回焊後),以及平滑、無孔洞的銅柱-錫銀介面。

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表1:用於銅柱之INTERVIA鍍銅化學材料及SOLDERON錫銀化學材料之特性。

陶氏致力於開發具有相容性的材料,以提升其用於2.5D及3D封裝的可靠性,而這些用於製成銅柱以及錫銀覆蓋之材料,僅為我們開發計畫的一部分。