UBM 技術概述：用途、應用與蝕刻化學品解析

UBM技術概述：用途、應用與蝕刻化學品解析

1. 引言

隨著半導體封裝技術向高密度、細間距（Fine Pitch）發展，先進封裝如Flip-Chip、Wafer-Level Packaging（WLP）和高階2.5D/3D封裝，對焊球下金屬層（UBM, Under Bump Metallization）的需求日益增加。UBM不僅是銅柱（Cu Pillar）或金屬焊球（Solder Bump）與晶片電路之間的導電橋樑，也提升銅柱（Cu Pillar）或金屬焊球（Solder Bump）的熱應力與機械可靠性，並在封裝良率中扮演關鍵角色。本文將說明UBM 的用途、應用、材料選擇及蝕刻化學品應用。

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2. UBM 的用途與應用

2.1 主要用途

UBM是一種先進的封裝製程，主要是在半導體晶片封裝中的集成電路（IC）與銅柱（Cu Pillar）或焊球（Solder Bump）之間製造薄膜金屬層，其主要用途包括：

導電連接：提供電性連接橋樑，使晶片 I/O 與封裝焊球間具有低阻抗導電性。
潤濕層：作為焊球附著的潤濕層（Wetting Layer），確保焊球在回流焊或再流焊過程中與晶片金屬充分接合。
擴散阻隔層（Diffusion Barrier）：防止焊球金屬（如 Sn、Ag、Cu）向晶片互連層擴散，保護晶片電路。
機械支撐：支撐焊球，改善熱應力及機械應力的分散，提高可靠性。

2.2 應用領域

UBM廣泛應用於多種封裝形式：

Flip-Chip封裝：在晶片上的焊墊（Solder Pad）與後續的焊料凸塊（Solder Bump）之間形成金屬薄膜層，以提供訊號連接並阻擋焊錫擴散，確保晶片與基板的可靠連接。
Wafer-Level Packaging (WLP)：UBM提供晶圓級封裝焊球（Solder Ball）或銅柱（Cu Pillar）附著與電性連接。
高階3D封裝 / CoWoS / HBM 封裝：UBM 在 TSV（Through Silicon Via）或晶片堆疊中作為焊球（Solder Ball）或銅柱（Cu Pillar）與晶片層之間的金屬橋梁。

3. UBM 材質選擇

3.1 UBM 通常採多層金屬結構設計，以兼顧導電性、潤濕性與阻隔功能。典型的 UBM 層次為：

層次	常用材料	功能
附著層	Ti、TiW、Ta	改善與晶片金屬（Al 或 Cu）附著
種子層/ 導體層	Cu	電鍍導電層
阻擋層	TiN, TiW, Ta, TaN	主要用途是防止Sn/Cu擴散
Barrier Layer	Ni, NiV	阻擋 Sn 擴散至 Cu，提升焊球可靠性
濕潤層	Au, Ag	提供焊球附著潤濕性
錫焊層	Sn / SnAgCu	部分高階封裝直接在 Ni 層上沉積錫焊，改善焊球接合
附著層 / 阻擋層	Cr	提高附著力，阻止 Sn/Cu 擴散

3.2 料選擇要點

鎳（Ni）層厚度需均勻，過厚會增加焊球疲勞裂紋風險，過薄則失去阻隔功能。
金層（Au）厚度通常在 0.05~0.3 μm，過厚會增加成本，過薄易氧化。
黏著層需與晶片金屬相容，通常採 Ti/TiW 層壓或濺鍍工藝。

4. UBM 蝕刻化學品（UBM Etching Chemicals）

UBM 製程中常需進行選擇性蝕刻，以去除多餘金屬層並定義焊球 pad。蝕刻化學品選型取決於金屬材質：

4.1 UBM常用蝕刻化學品

金屬	蝕刻化學品	特性與注意事項	應用
Ti / TiN / TiW	HF + H₂O₂；NH₄OH + H₂O₂	改善與晶片金屬（Al 或 Cu）附著	黏著/阻擋層
Cu	H3PO4 + H2O2； H2SO4 + H2O2 ； HNO3 /	電鍍導電層	RDL、導線
Ta / TaN	HF + H₂O₂；NH₄OH + H₂O₂	主要用途是防止Sn/Cu擴散	Cu 阻擋層
Ni / NiV	HNO₃ + HCl；FeCl₃	阻擋 Sn 擴散至 Cu，提升焊球可靠性	UBM、基板保護
Au	KI / I₂ 或氰化物溶液	提供焊球附著潤濕性	UBM 潤濕層
Cr	Ceric Ammonium Nitrate (硝酸銨銨溶液) + HNO₃	部分高階封裝直接在 Ni 層上沉積錫焊，改善焊球接合	光罩、ITO 黏著層

4.2 工藝控制要點

蝕刻速率與溫度、pH 值、金屬厚度高度相關。
多層 UBM 蝕刻需分段控制，避免過蝕造成焊球接合不良。
防護層（Resist / Photoresist）需抗蝕選擇性高，以確保 pad 定義精準。

5. 未來發展趨勢

細間距與高 I/O 封裝：隨著 HBM、CoWoS 及 SiP 封裝 I/O 密度提升，UBM 需支援 <50 μm pad pitch，對材料均勻性與蝕刻精準度要求更高。
環保與低成本材料：探索替代 Au 層、減少貴金屬使用，同時保持焊球附著性與可靠性。
乾蝕刻與等離子體蝕刻：相較於濕蝕刻，可降低廢液排放，並提升蝕刻精度與選擇性。