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C. Christine Dong, Richard E. Patrick, Eugene J. Karwacki, Gregory K. Arslanian, Air Products, Inc
成功製作晶圓凸塊的關鍵之一，在於迴焊時要去除焊錫表面的氧化物。傳統的做法是使用有機助焊劑。然而，由於有機助焊劑所衍生的相關問題，使得大家相當關注無助焊劑迴焊製程的發展。
採用反應性強的氣體(主要是氫氣)來取代有機助焊劑是一種頗具吸引力的做法，因為這是一個乾淨且無毒的製程。然而，氫分子在正常焊錫迴焊製程的溫度範圍下反應性不佳。因此，必須在高溫下激發高純度的氫氣來加速還原反應。這使得操作成本增加，並且提高了燃燒的危險性。電漿技術可以激發氫氣產生活性離子，而提高去除氧化物的效率。可是，形成電漿需要在真空的環境下，這使得操作成本增加，而且無法連續操作，必須採用批次式製程。因此，對於研究者而言，高效率、低成本、且環保的無助焊劑迴焊製程，仍是一個重要的課題。電子附著(EA)製程被研發出來，可在常壓下激發氫分子，而達成低溫的無助焊劑迴焊製程。
當低能電子(＜10電子伏特)碰撞氣體分子時，部分的電子被氣體分子補抓住，藉由游離、直接附著或「電子附著」而產生負離子。由陰極放射出來的電子所產生的能量取決於電場強度(E)和總壓力(p)的比例，E/p。這是因為電子在電場作用下於每一個自由徑內加速，而於撞擊氣體分子時減速。增加壓力會降低電子的能量，因而增加電子接近氣體分子並附著於氣體分子的機率。所以，常壓的環境遠比真空環境適合電子附著製程。
電子附著輔助的無助焊劑迴焊製程，導入氫氣濃度≦4%的氫氣/氮氣混合氣體到迴焊爐。迴焊爐以移動式的履帶傳送晶圓，沿著中心軸有加熱/冷卻區。待迴焊的晶圓被置於履帶上，履帶被接地作為陽極，發射電子的陰極被安裝於爐頂。施加適當的直流電壓於陰極，產生低能電子(小於10電子伏特)，並由於電場的驅使漂移向陽極。氫分子會與這些電子碰撞，而形成被激發的氫分子負離子(H2-)。被激發的氫分子負離子可以藉由分解附著(化學方程式1)分解成中性氫原子(H)和氫原子負離子(H-*)。依化學方程式2，氫原子再與電子碰撞，導致直接附著，形成被激發的氫原子負離子(H-*)。在電子附著製程中，96%以上的氮氣由於其電子親和力等於零，所以不會形成負離子。化學方程式3顯示出氮氣可以作為第三體，吸收由直接附著形成的被激發的氫原子負離子(H-*)的多餘的能量，以穩定碰撞過程。由電子附著產生的氫原子負離子(H-)，也由於電場的作用漂移向陽極，並依化學反應作用還原焊錫凸塊表面的氧化層(化學方程式4)。水蒸氣是氧化層還原反應的副產物，可以輕易的被排放出迴焊爐。注射到晶圓表面的自由電子與在晶圓表面產生的自由電子，會透過焊錫凸塊及矽陣列而傳導接地。由分解附著(化學方程式1)產生的中性氫原子(H)也能有效還原氧化層。然而，由於它擴散速度緩慢又會快速結合，它們的功效預期會遠低於氫原子負離子(H-)。
分解附著
H2 + e- → H2-* → H- + H 1
直接附著：
H + e- → H-* 2
碰撞穩定化：
H-* + N2 → H- + N2 3
焊錫表面氧化層清除：
2H- + SnO → Sn + H2O + 2e- 4
電子附著技術輔助的無助焊劑迴焊技術預期的貢獻如下。
由於在電子附著製程時，氫分子會被分解，啟動氫還原焊錫表面氧化層的溫度可大幅降低。電場會驅使活性粒子(H-)被吸附在晶圓表面，即便使用非燃性的低濃度氫氣/氮氣混合氣體(例如氫氣體積濃度小於4%的氫氣/氮氣混合氣體)也能達成預期的還原速率。由於常壓的環境遠比真空環境適合電子附著製程，這使得這項技術簡單，且適用於開放性和連續性的生產線。
不同於電漿技術，電子附著製程創造一個單一種類帶電粒子的環境。氫離子(H-)會互相排斥，使得生命週期相對變長。
這個製程是相當有效率的，作為稀釋氣體的氮氣(體積濃度超過96%)不會在電子附著製程中反應。
建立電子附著製程最大的挑戰，在於有一個能在大區域有效且均勻地產生電子、可長期運作和便宜的陰極。市售的陰極都不合適。所以，必須開發適用於這種應用的陰極。陰極被安裝於晶圓表面上方1厘米處。當施加10千赫、2至3千伏特的單極性脈衝電壓於陰極時，能在氫氣和氮氣的混合氣體中產生穩定且均勻的電子流。藉由電源控制電流強度，使每一接腳的激發電流控制在0.1到0.5毫安培。由於此一陰極的結構簡單，所以製造成本低。由於電子附著製程的特性，產生的離子為負電荷，所以陰極被正離子撞擊的機會也大幅降低。此一陰極也已經被證明可長期運作。
證明分解附著發生過程的最佳方法是直接量測氫原子(H)。但是，由於氫原子質量低且快速結合，所以無法用質譜儀量測氫原子。因此，我們開發了另一種氫分解的監測機制。這涉及了在含有氫和氘(D2)的氣體環境中，偵測HD的形成。當電子附著製程發生時，HD的增加代表對氫和氘分子皆發生分解附著(化學方程式5至7)。
氫分子分解附著：
H2 + e- → H2-* → H- + H 5
氘分子分解附著：
D2 + e- → D2-* → D- + D 6
形成HD：
H + D → HD 7
圖一為在不同製程溫度下，於迴焊爐排氣口，以質譜儀偵測分析的結果。在每個溫度的分析皆是在氮氣的環境下，等爐內溫度平衡在設定溫度時，才開始量測。開始採集數據五分鐘後，通入氣體由氮氣改為氫和氘體積比為1：1的混合氣體。在開始採集數據15至25分鐘之間，使用電子附著製程。從每個溫度的實驗中顯示，使用電子附著製程時，HD強度增大；停用電子附著製程後，HD強度又回復到原始值。使用電子附著製程時，形成HD的啟動溫度約為100℃；而隨著製程溫度的提高，HD的峰值強度增大。這是合理的，因為分解附著是熟知的吸熱反應。由此可知在使用電子附著製程時，氫氣能在遠低於熱分解溫度的條件下分解。
接著以混入氮氣的氫/氘混合氣體重複定溫實驗。如同預期，在使用電子附著製程時，隨著氮氣濃度增加，HD的峰值強度下降。在使用電子附著製程時，也測不到NH3。氫氣與氮氣的游離能相當接近。這些觀察更進一步證實氫和氘的分解，是因為分解附著而非電離氣體。
我們使用覆晶封裝的晶片來驗證電子附著輔助的無助焊劑迴焊製程。晶片上，直徑40微米的凸塊是利用電鍍的90%鉛/10%錫組成的焊錫凸塊。迴焊爐中通入氫氣體積濃度4%的氫氣/氮氣混合氣體，從室溫昇溫至310℃(焊錫的熔點是305℃)，達到峰值溫度後立即冷卻。在從250℃加熱到310℃的過程中，使用電子附著技術。
當沒有使用電子附著技術時，由於迴焊時熔融的焊錫表面被氧化層覆蓋，形成的凸塊表面是皺褶的，且凸塊高度很低。當使用電子附著技術時，凸塊的表面非常平滑且呈現漂亮的球形，這代表凸塊的表面沒有氧化層(圖二a-c)。
結論
我們展示一個創新的使用電子附著技術的無助焊劑晶圓凸塊製程。此一製程藉由電子附著技術產生氫原子陰離子。在常壓與傳統的迴焊製程溫度下，使用非燃性的低濃度氫氣(體積濃度小於等於4%)，即可達成無助焊劑的焊錫迴焊製程。SST-AP/Taiwan
圖一：由質譜儀測得在不同製程溫度下使用電子附著技術的HD強度。
圖二a, b, c：掃瞄式電子顯微鏡的照片；(2a)電鍍的香菇形凸塊，(2b)未使用電子附著技術迴焊(2c)使用電子附著技術迴焊。 |
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