随着AI工作负载的增加，对更高带宽的需求持续增长，这使得HBM成为满足性能要求的关键组件。为了实现如此高的带宽，一个关键策略是减小倒装芯片互连中的bump直径和间距。较小的微bump尺寸增加了互连密度，从而能够实现更快的数据传输。然而，减小bump尺寸带来了几个可靠性和制造性方面的挑战。一个主要问题是IMC的生长以及Kirkendall空洞的形成，这些问题通常可以通过使用Ni/Sn微bump加以缓解。然而，Ni的使用也引入了额外的问题。在Ni-Sn IMC生长过程中，Sn焊料会经历体积收缩，导致拉伸应力，这可能导致焊料空洞并降低焊点的可靠性。另一个问题是焊料“吸液现象”，即Sn焊料在回流过程中沿着Ni侧壁润湿，这可能导致焊料横向扩散，进而与相邻的bump接触并造成短路。
此外，微bump与绝缘层之间的应力不匹配也是一个关键的可靠性挑战，这主要由材料之间的热膨胀系数(CTE)不匹配引起。这种不匹配还受到诸如晶粒尺寸和电镀Ni的厚度等因素的影响。位错运动受到晶粒界面的限制，随着晶粒尺寸的增加，晶粒扭曲和变形的可能性增加，从而导致残余应力增加。
此外，电镀Ni的结晶取向会随着其厚度而变化。最初，由于UBM层的影响，Ni层倾向于以(111)取向生长，但随着厚度的增加，(002)取向占主导地位，这导致晶粒结构变粗，进一步增加了残余应力。因此，尽管bump尺寸对于支持下一代HBM在AI应用中的带宽需求至关重要，但它同时也带来了显著的材料和工艺挑战，这些挑战必须得到仔细应对。
（1）Micro bump中IMC层与Kirkendall空洞的形成
在芯片互连中，由于焊料熔点相对较低被普遍使用。然而，由于对电子废弃物造成的环境污染和人体毒性的担忧，欧盟实施了《限制有害物质指令》(RoHS)，限制使用含铅焊料。因此，自2006年以来，Sn基焊料已被广泛采用。然而，仅使用Sn焊料存在一些挑战，例如难以控制焊料空洞，以及由于焊料量较大而存在相邻焊点之间发生短路的风险。为了解决这些问题，通常使用一种微bump结构，其中Sn沉积在具有高反应活性的Cu柱上。然而，由于Sn的扩散速率比Cu快，Cu6Sn5 IMC首先形成，随后是Cu3Sn IMC的形成。Cu和Sn之间扩散速率的差异导致Cu3Sn层内形成Kirkendall空洞。这些脆性的Cu6Sn5和Cu3Sn过度生长产生空洞，空洞的存在会降低互连结构的机械可靠性，并在外部应力下发生开路。
为了解决这些问题，Ni被引入到bump结构中，Ni与Sn的化学反应性较低，且扩散速率比Cu慢约46倍。Ni/Sn界面处较慢的扩散过程有效地抑制了IMC的生长，从而提高了互连结构的稳定性。然而，随着bump直径的减小，表面和体积扩散变得更加显著，这导致界面处的Ni-Sn IMC过度生长。这种过度生长加速了Sn焊料的消耗，并由于Ni-Sn IMC的密度高于Sn而引起拉伸应力。此外，Sn向Ni界面的快速扩散加剧了空洞的形成。抑制空洞形成的代表性方法是将Sn与Ag、Cu、Ni或Co等金属形成合金。这些元素与Sn反应生成合金，从而减少Sn与Ni的反应。其中，锡银合金的应用最为广泛。在该系统中Ni3Sn4 IMC形成于界面，Ag3Sn IMC形成在焊料的中心，如下图所示。由于其高密度，Ag3Sn IMC有助于缓解由Sn和Ni-Sn IMC之间的密度失配引起的拉伸应力。此外，银与锡的反应抑制了锡向镍界面的扩散。总之，镍/锡银微bump结构相较于铜/锡bump结构表现出更优越的机械可靠性，尤其是在bump尺寸不断减小地负载条件下。
（2）在无助焊剂回流过程中镍/锡银bump的焊料吸湿现象
由于其优异特性，Sn/Ag焊料被广泛应用于先进的半导体封装中。然而，电镀完成后，焊料成分往往缺乏均匀性，这导致熔化温度因局部银含量不同而有所变化。此外，表面粗糙度可能导致键合过程中气泡的形成。为了解决这些问题，采用回流工艺来均匀化焊料并改善润湿效果，从而降低键合温度并使得bump表面更加平滑。主要使用的回流方法有两种:传统回流和无助焊剂回流。在传统的回流工艺中，使用助熔剂去除表面氧化物，如SnO2，从而使熔融锡形成球形bump。然而，助熔剂的高粘度和粘性往往导致无法完全去除氧化物，并留下残留物，这些残留物可能导致短路和bump形状不规则。
相比之下，无助焊剂回流工艺使用如甲酸等气相酸来去除氧化物，而不留下有机残留物。这显著降低了缺陷率。尽管如此，无助焊剂回流工艺也在Ni/SnAg凸点中引入了其他问题，即焊料的吸湿现象，其中熔化的Sn会滑落到Ni柱的侧壁上，如下图所示。这种行为在Cu/Sn系统中并未观察到。这种差异源于界面扩散特性：Cu-Sn具有高互扩散性，促进IMC的快速生长，从而在界面处稳定焊料。相比之下，Ni-Sn则表现出较低的互扩散性，但Sn能够沿着Ni表面容易扩散，从而实现横向和纵向迁移。
这种焊料吸湿现象可能会导致短路，尤其是在细间距bump中。此外，任何残留的污染物都可能加速相邻焊点之间的焊料桥接。因此，防止吸湿对于实现可靠的封装至关重要。回流工艺参数在控制这种行为方面起着关键作用。通过等离子体处理增加Ni表面的氧化物厚度，结合降低酸浓度和较低的回流温度，可以形成扩散屏障，从而抑制吸湿现象。然而，在这种条件下，焊料可能无法完全熔化。相反，较薄的氧化物允许完全熔化，但会增加由于暴露的Ni表面而发生吸湿的可能性。总之，虽然无助焊剂回流工艺有效地消除了助焊剂引起的缺陷，但在Ni/Sn凸点中焊料吸湿仍然是可靠性方面的重要关注点。优化回流条件对于在先进封装技术中平衡适当的焊料润湿与缺陷抑制至关重要。
（3）应力不匹配
半导体封装结构中各层之间的应力不匹配主要由热膨胀系数的差异引起。在回流过程中，这种不匹配在由具有不同CTE的材料组成的多层堆叠的界面处变得尤为明显。随着bump尺寸的缩小，这种不匹配的严重程度增加，常常导致介电裂纹的产生。除了CTE不匹配外，还有其他几个因素也会导致应力的发展。其中一个显著因素是材料的晶粒尺寸。众所周知，材料的弹性模量会随其晶粒尺寸的减小而增加。这种行为可以归因于晶界对位错运动的限制，晶界的密度随着晶粒的细化而增加。因此，具有较大晶粒的材料在热应力或机械应力下更容易发生塑性变形，导致材料界面处应力不匹配的程度更高。
影响应力累积的另一个重要因素是电镀材料的厚度。在电镀镍的过程下，沿厚度方向观察到的晶粒尺寸变化如下图所示。最初，镍层倾向于遵循UBM层中基体铜的晶体取向，通常形成(111)取向并具有细晶粒。然而，随着电镀过程的继续和镍层的增厚，观察到向(200)取向的过渡，此时晶粒变得粗大。随着厚度的增加，这种晶粒粗化会导致层内残余应力增加，进一步加剧界面应力和可靠性问题。晶粒尺寸和厚度依赖的晶粒粗化相结合会降低微bump在尺寸缩放条件下的特性。由此产生的应力积累增加了介电层开裂的可能性，在严重情况下可能导致bump从晶圆表面脱离。这种脱离会导致互连中的开路故障，从而影响器件的可靠性。
为了缓解应力不匹配问题，减小电镀镍层的晶粒尺寸已被证明是一种有效的策略。在电镀过程中使用晶粒细化剂可以显著提高成核速率，从而形成更细的晶粒结构。如下图a和b所示。对镍层进行的横截面分析显示，使用晶粒细化剂时，晶粒尺寸显著减小。从机械角度而言，细晶粒镍表现出压缩内应力，而粗晶粒镍则倾向于表现出拉伸应力，如下图c所示。细晶粒镍层中的压缩应力可以最大程度地减少与相邻绝缘层之间的不匹配，从而提高机械完整性并提升凸点剪切强度。总之，多层结构中的应力不匹配是一种复杂现象，受到热、微观结构和几何因素的影响。通过在电镀过程中使用晶粒细化剂来有效控制晶粒尺寸，是提高先进封装可靠性的一个实用且有效的方法。
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