微电子封装用电沉积铁镍基合金薄膜的制备及应用研究

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铁镍合金,如因瓦合金、坡莫合金等具有较低的热膨胀系数和优异的软磁性能等优点,应用领域十分广泛。随着微电子器件多功能化及其封装技术的小型化的发展趋势,铁镍合金薄膜有以下两个方面的重要应用:一是,Fe-Ni合金薄膜与无铅焊料界面反应的速率极慢,润湿性较好,可作为晶圆级封装下非常有潜力的凸点下金属层(under bump metallization,UBM)。但是,Fe-Ni UBM与无铅焊料反应生成的界面化合物种类众说纷纭,机制各异,为推广应用,需澄清界面反应机理,并系统评价界面可靠性问题;二是,在由传统分立电感过渡到系统封装用集成电感的制备中,可作为芯片电感的薄膜磁芯材料。目前,随三维封装兴起的芯片电感技术正朝着高品质因数、高功率密度方向发展,急需开发综合性能优异的薄膜磁芯材料,并实现晶圆电镀的可控制备。  首先,我们以商用Cu UBM为参照,研究了Fe-Ni UBM与SnAgCu焊料的界面反应行为,确定了界面富铜化合物为η-(Cu,Ni)6Sn5,并揭示了Fe-Ni UBM的扩散阻挡机制:一是生成了界面反应速率非常缓慢的FeSn2;二是Ni对(Cu,Ni)6Sn5有稳定化作用,抑制了η/η'的结构转变;三是FeSn2晶粒大小影响(Cu,Ni)6Sn5生长,其中Fe-45Ni焊点中FeSn2晶粒较大、排列紧密,比Fe-73Ni焊点有更加出色的扩散阻挡效果。  其次,根据产业界通用的JEDEC标准对Fe-Ni UBM焊点进行了推球、热循环、电迁移的可靠性评价实验,结果表明Fe-Ni UBM焊点与商用Cu UBM焊点相比虽然热循环性能略有降低,但Fe-Ni焊点的抗剪切强度、抗电迁移能力较好,是综合性能优良的UBM材料。  第三,为实现系统封装用集成电感的制备,探索了二元Fe-Ni合金(Fe15-80 wt.%)的晶圆电镀工艺,并阐明了其性能随成分的变化规律。通过精确表征,首次揭示了在Fe含量52-70wt.%的相转变区域中,薄膜中fcc相和bcc相沿镀层厚度方向梯度生长的行为。使用含纳米晶组织的二元Fe-Ni镀层(Fe45wt.%)作为磁芯材料,测得其饱和磁感应强度Bs为1.6T,矫顽力Hc为1.5Oe,电阻率ρ为33.6μΩ·cm,所制备的集成芯片电感Q值为5。  最后,为进一步提高磁芯材料的性能,通过掺杂稀土和非金属元素方式开展了多元非晶Fe-Ni-P(RE)合金薄膜的制备研究并进行了初步应用评价。探索了不同电镀工艺参数对镀层微观组织和成分的影响,成功开发了一种以乳酸+乙二胺四乙酸(LA+EDTA)为络合剂的新镀液体系,克服了当前报道中Fe-Ni-P镀层表面粗糙、矫顽力大等缺点。LA+EDTA制备的73Fe-Ni17-P10(wt.%)非晶薄膜的Bs为1.5T,He为0.3Oe,ρ为136μΩ·cm,与二元45Fe-55Ni磁芯相比Hc下降5倍且ρ提高4倍,是非常理想的磁芯薄膜材料。此外,SnAgCu/Fe-Ni-P(RE)界面反应结果表明,Fe-Ni-P(RE)薄膜扩散阻挡能力强于Fe-Ni薄膜,但润湿能力并不理想。
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