倒裝焊中的關(guān)鍵工藝技術(shù)

倒裝焊中的關(guān)鍵工藝技術(shù)

1統(tǒng)引線鍵合亞接口系統(tǒng)的優(yōu)勢隨著輕量化、薄型化、民主化、i/o段數(shù)的增加和功能多樣性的發(fā)展，傳統(tǒng)的封面技術(shù)無法滿足高密度的要求。倒裝互連技術(shù)的發(fā)展為高密度封裝帶來了希望。從圖1和圖2可以看出,倒裝技術(shù)與傳統(tǒng)引線鍵合互連技術(shù)相比具有明顯的優(yōu)勢,主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:(1)尺寸小、薄,重量更輕;(2)密度更高,使用倒裝焊技術(shù)能增加單位面積內(nèi)的I/O數(shù)量;(3)性能提高,短的互連減小了電感、電阻以及電容,信號完整性、頻率特性更好;(4)散熱能力提高,倒裝芯片沒有塑封體,芯片背面可用散熱片等進(jìn)行有效的冷卻,使電路的可靠性得到提高;(5)倒裝凸點(diǎn)等制備基本以圓片、芯片為單位,較單根引線為單位的引線鍵合互連來講,生產(chǎn)效率高,降低了批量封裝的成本。倒裝焊技術(shù)中關(guān)鍵工藝有UBM制備、凸點(diǎn)制備、倒裝焊和底部填充技術(shù),它們直接決定著倒裝產(chǎn)品質(zhì)量的好壞。2ubm用于al焊盤的焊接多層金屬膜UBM(UnderBumpMetallurgy)是在芯片上的Al焊盤與凸焊點(diǎn)之間的一層金屬化層,目的是使芯片與基板互連工藝更容易實(shí)現(xiàn)、互連可靠性更高。UBM必須與Al焊盤及凸焊點(diǎn)間形成良好的歐姆接觸、必須能夠保證凸點(diǎn)或焊接材料不直接與Al焊盤接觸,以使連接材料有良好的黏附性能和機(jī)械性能,并確保優(yōu)良的電性能和導(dǎo)熱性能。UBM通常由黏附層、擴(kuò)散阻擋層和浸潤層等多層金屬膜組成。UBM在進(jìn)行焊料回流或焊點(diǎn)退火等高溫處理時(shí),能夠保證凸焊點(diǎn)材料不會穿透UBM而進(jìn)入下面的Al焊盤中。UBM制備方法主要有濺射、蒸發(fā)和化學(xué)鍍:3dco建立薄膜組合倒裝焊(FlipChip)中的首個(gè)凸點(diǎn)制備技術(shù)是IBM公司的C4工藝(ControlledCollapsChipsConnection)。凸點(diǎn)由蒸發(fā)的薄膜金屬制成。隨工藝技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展,滿足不同產(chǎn)品的需求,凸點(diǎn)制備工藝方法越來越多,不僅有蒸發(fā)/濺射法,還有焊膏印刷-回流法、化鍍法、電鍍法、釘頭法、置球凸點(diǎn)法(SB2-Jet)等不同方法,其各有特點(diǎn)。3.1凸點(diǎn)蒸發(fā)制備早期的倒裝芯片凸點(diǎn)常用此方法制備。通常采用光掩模來獲得UBM和釬料凸點(diǎn)所需要的圖案,UBM和釬料蒸發(fā)/濺射后的沉積是不連續(xù)的,不需要的UBM和釬料隨后光刻膠一起去除。先制作UBM,然后再將釬料蒸發(fā)/濺射到UBM上形成凸點(diǎn),凸點(diǎn)呈錐形,通過對釬料凸點(diǎn)進(jìn)行重熔而使之成球形。圖3為銦凸點(diǎn)蒸發(fā)制備工藝流程。該方法能與IC工藝兼容,工藝及設(shè)備成熟,但需制作掩模板,且一種掩模板只能針對一種IC芯片,靈活性較差。設(shè)備費(fèi)用高,制備較高的凸點(diǎn)高度所需時(shí)間長,生產(chǎn)效率相對較低。對尺寸和間隙較大的,可以直接用金屬掩模板進(jìn)行,只是圖形精度差些,金屬掩模板需要定期清洗,但其可省去涂膠、光刻、去膠、金屬腐蝕等多道工序。蒸發(fā)/濺射制備凸點(diǎn)由于其投資高、生產(chǎn)效率不高等,其將只限于要求凸點(diǎn)材料純度高、制備的凸點(diǎn)致密度高的,或者制備的凸點(diǎn)材料不能使用電鍍、印刷工藝等時(shí)。3.2低溫焊料凸點(diǎn)加工工藝特點(diǎn)該方法為國際上流行且工藝成熟的凸點(diǎn)制作法。電鍍凸點(diǎn)工藝所需的UBM同樣是采用蒸發(fā)/濺射,但相對UBM要厚許多倍的凸點(diǎn)制備則采用設(shè)備投入少、運(yùn)行成本低的電鍍工藝方法取代。電鍍工藝重復(fù)性、一致性好,可用于批量生產(chǎn)加工各種類型規(guī)格芯片及不同材料、不同高度的凸點(diǎn)。凸點(diǎn)材料主要有焊料凸點(diǎn)、金凸點(diǎn)和銅凸點(diǎn)三種。常見的電鍍凸點(diǎn)類型、連接方式及熔點(diǎn)如表2所示。圖4為電鍍低溫焊料凸點(diǎn)的制作工藝流程。電鍍金凸點(diǎn)、金凸塊、電鍍銅柱或銅柱上加鍍一層焊料層的工藝基本原理和工藝過程基本相同。電鍍銅柱上加鍍一層錫等焊料層的目的是芯片倒扣組裝中不再使用焊料等而只需直接加熱或回流加熱焊接即可。圖5為電鍍金凸點(diǎn)制備工藝流程,圖6為電鍍金凸塊示意圖,圖7為電鍍銅柱上加鍍錫等焊料層圖片。雖然銅價(jià)格便宜,但銅凸點(diǎn)或銅柱的抗氧化、耐腐蝕能力相對金凸點(diǎn)、金凸塊要弱。金凸點(diǎn)或金凸塊常使用在小尺寸、高引出端的芯片中,在連接中使用Au可確保連接可靠性更優(yōu)(其焊接材料要相配),耐腐蝕性無要求的可優(yōu)選銅凸點(diǎn);對于大尺寸芯片或基板熱失配較重的連接則需要采用銅柱或銅柱加焊料層電鍍工藝,其可以大幅度提升焊接的抗疲勞性,降低熱失配失效。3.3以ubm或者再鍵合凸點(diǎn)該方法是利用金/銅絲球焊機(jī)制作完成。為了更好地解決倒裝焊金凸點(diǎn)與芯片焊盤鋁互連可能產(chǎn)生的金鋁化合物而降低互連的可靠性,對一些使用要求相對較高的電路是不能像引線鍵合工藝一樣直接焊接的,而是在鋁焊盤上濺射一層UBM然后再鍵合凸點(diǎn),如圖8所示。釘頭凸點(diǎn)帶有尾絲,在芯片上所有凸點(diǎn)都完成后,要對所有凸點(diǎn)進(jìn)行去除尾尖,使其成為凸點(diǎn)高度、平整性一致的芯片凸點(diǎn)。圖9為鍵合制備釘頭及整平圖。去除尾尖有石英板拍平、鍵合機(jī)打磨、研磨(圓片級釘頭凸點(diǎn)制作后)等,質(zhì)量較高的是研磨工藝。釘頭凸點(diǎn)方法只適合引線數(shù)少、芯片焊盤間距相對較大、品種多且數(shù)量相對不多的芯片封裝上,其具有工藝簡便易行、方便靈活、可在單芯片上制作凸點(diǎn)、不合格芯片不需要制作凸點(diǎn)(其他方法制備凸點(diǎn)時(shí),不合格芯片也是要制備凸點(diǎn)的),成本低廉,但是凸點(diǎn)高度一致性相對較差。3.4植球回流焊的工藝流程又稱為SB2-Jet(solderballbumpingjet),如圖10所示,該系統(tǒng)為PacTech公司研制的直接植球設(shè)備。在放置焊料球用激脈沖光同時(shí)對焊球進(jìn)行回流焊,一次性完成。該過程首先將加工好的焊料球放在儲存槽中,釬料球經(jīng)毛細(xì)管釋放噴出(該過程時(shí)間很短,不會影響球的形狀)。在噴出時(shí),激光系統(tǒng)對球加熱使之熔化,使釬料球潤濕芯片焊盤并形成良好的接合。此過程用惰性氣體保護(hù),不需焊劑。該方法簡單快捷、生產(chǎn)效率高、可靈活應(yīng)用。3.5印刷法印刷法實(shí)際上就是SMT工藝中的絲網(wǎng)印刷技術(shù),不適合小間距焊盤,應(yīng)用受到限制,并且對設(shè)備有很高的要求,見圖11。3.6制作材料盤,轉(zhuǎn)焊盤轉(zhuǎn)移法中又有焊膏/焊料轉(zhuǎn)移和焊球直接轉(zhuǎn)移。焊膏印刷再轉(zhuǎn)移法和焊料注入轉(zhuǎn)移傳送法已成熟,焊料印刷轉(zhuǎn)移法是首先在載體上通過印刷的方法制作出焊料球,然后再轉(zhuǎn)送到焊盤上去,參見圖12,其中載體必須是與焊料不潤濕的材料,并且要求圖樣與芯片焊盤高度一致。焊球注入轉(zhuǎn)移傳送法,首先在載體上注入焊料,形成焊球,然后回流,然后再進(jìn)行轉(zhuǎn)移,如圖13所示。其中載體上有焊料坑,可以通過壓力把焊料注入到坑中。該方法設(shè)備投入少,生產(chǎn)效率高。焊球直接轉(zhuǎn)移法現(xiàn)較多使用的有微球吸取轉(zhuǎn)移和膠帶輔助轉(zhuǎn)移,參見圖14和圖15。3.7化學(xué)鍍鍍特點(diǎn)采用化學(xué)的方法對芯片鋁壓焊點(diǎn)進(jìn)行底層處理,然后再化學(xué)鍍凸點(diǎn)。特點(diǎn)是投資少,工藝步驟少,不需要濺射/蒸發(fā)、光刻、電鍍等,成本低,但是化學(xué)鍍的鍍液成分復(fù)雜,較難掌握,凸點(diǎn)高度受限,鍍層均勻性較差,適用于單芯片、凸點(diǎn)高度要求低的。3.8凸點(diǎn)技術(shù)的改進(jìn)制作凸點(diǎn)的方法還有許多,如釬料液滴噴射法等,相信凸點(diǎn)技術(shù)是封裝的一個(gè)重要技術(shù),將會出現(xiàn)更多新的工藝方法,以期獲得更高的質(zhì)量、更低的投資、更高的生產(chǎn)效率、更低的成本,凸點(diǎn)制備技術(shù)仍將持續(xù)地改進(jìn)發(fā)展。4返回技術(shù)倒裝技術(shù)主要有熔焊、熱壓焊、熱聲焊、膠粘連接等。針對不同的凸點(diǎn)材料應(yīng)選用不同的倒裝組裝技術(shù),以滿足倒裝焊可靠性的需求。4.1凸點(diǎn)上的焊料制備焊料可以是基板焊盤上的、芯片凸點(diǎn)端上的或者是焊球來充當(dāng)?；迳系暮噶峡梢运⒑父嘣倩亓餍纬?也可以是電鍍、濺射/蒸發(fā)獲得;銅凸點(diǎn)、高溫焊料凸點(diǎn)上的焊料通常是電鍍上去的。倒裝凸點(diǎn)密度比較大的,則主要采用電鍍、濺射/蒸發(fā)工藝方法制備;而密度小(如間距≥0.4mm)、數(shù)量少的,則用焊膏印刷然后再回流制備,或直接使用焊料球或焊盤浸焊劑然后回流制備,這樣制造的性價(jià)比最優(yōu),必要時(shí)需要清洗掉殘留的焊劑,方可確保底部填充質(zhì)量。4.2細(xì)間距傳承發(fā)展法與熔焊工藝不同,熱壓焊接工序中,不僅要對芯片凸點(diǎn)加熱,還要施加一定的壓力。該工藝要求芯片或者基板上的凸點(diǎn)為金凸點(diǎn)(可電鍍、濺射/蒸發(fā)方法制備,或者采用釘頭凸點(diǎn)方法制備),同時(shí)還要有一個(gè)可與凸點(diǎn)連接的表面(如電鍍或?yàn)R射/蒸發(fā)的金層)。熱壓焊接的溫度一般在300℃左右,這樣才能使材料充分軟化,促進(jìn)連接過程中的擴(kuò)散作用,使連接可靠。該方法的優(yōu)點(diǎn)是工藝簡單,工藝溫度低,無需使用焊劑,可以實(shí)現(xiàn)細(xì)間距連接;缺點(diǎn)是熱壓壓力較大,僅適用于剛性基底(如氧化鋁或硅),基板必須保證高的平整度,熱壓頭也要有高的平行對準(zhǔn)精度。為避免半導(dǎo)體材料受到不必要的損害,設(shè)備施加壓力要有精確的梯度控制能力。4.3熱超聲倒裝法超聲熱壓焊連接是將超聲波應(yīng)用在熱壓連接中,使焊接過程更加快速。超聲波的引入使連接材料迅速軟化,易于實(shí)現(xiàn)塑性變形。熱超聲的優(yōu)點(diǎn)是可以降低連接溫度,縮短加工處理的時(shí)間。缺點(diǎn)是可能在硅片上形成小的凹坑,主要是由于超聲震動過強(qiáng)造成的。該方法主要適用于金凸點(diǎn)、鍍金焊盤的組合。熱超聲倒裝連接的可靠性要受基板與芯片的熱膨脹系數(shù)(TEC)失配的影響,同時(shí)焊點(diǎn)高度、最大焊點(diǎn)距離亦對可靠性有影響。連接區(qū)的裂紋多是在從焊接連接時(shí)從高溫冷卻下來的過程中產(chǎn)生的。由于金的熔點(diǎn)溫度高,因此它對疲勞損傷的敏感程度遠(yuǎn)小于一般的焊料凸點(diǎn)的。如果在熱循環(huán)中應(yīng)力沒有超過凸點(diǎn)與焊盤之間的連接強(qiáng)度,那么可靠性不會存在太大問題。4.4各向異性導(dǎo)電膠導(dǎo)電膠連接是取代鉛錫焊料連接的可行方法,導(dǎo)電膠連接保持了封裝結(jié)構(gòu)的輕薄,成本未顯著增加,且保持了工藝簡單、固化溫度低、連接后無需清洗等優(yōu)點(diǎn)。導(dǎo)電膠有各向同性、各向異性兩大類。各向異性導(dǎo)電膠是膏狀或者薄膜狀的熱塑性環(huán)氧樹脂,加入了一定含量的金屬顆?；蚪饘偻扛驳母叻肿宇w粒,在連接前導(dǎo)電顆粒間在各個(gè)方向上都是絕緣的,但是在受擠壓的連接方向上變?yōu)閷?dǎo)電。各向同性導(dǎo)電膠是一種膏狀的高分子樹脂,加入了一定含量的導(dǎo)電顆粒,因此在各個(gè)方向上都可以導(dǎo)電,較適合于在使用要求不是特別高的場合取代焊料,采用導(dǎo)電膠連接最合適材料為金;與鉛錫焊料相比,導(dǎo)電膠是熱的不良導(dǎo)體,它的導(dǎo)電性能比鉛錫焊料差。5下填充工藝的選擇由于硅芯片、焊料凸點(diǎn)和基板等材料的熱膨脹系數(shù)不匹配,如表3所示,使用過程中很容易因熱失配而造成連接失效。下填充技術(shù)能夠減少硅芯片和基板間熱膨脹失配造成的影響,并能有效地緩沖機(jī)械沖擊的損傷程度。其中焊料凸點(diǎn)與焊盤的連接界面處承受著更容易失效的風(fēng)險(xiǎn),通過下填充可以將芯片、凸點(diǎn)和基板緊緊地黏附在一起,達(dá)到重新分配整個(gè)芯片上的熱膨脹系數(shù)失配和機(jī)械沖擊產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變力。下填充提供了一個(gè)好的機(jī)械連接,大大提高了封裝的可靠性,并且還能防止?jié)駳夂推渌问降恼次?。使用下填充能夠大大提高倒裝連接的壽命,與相同封裝無填充的倒裝比較其使用壽命可以提高5~20倍。下填充工藝有兩種,底部流動填充和底部不流動填充,應(yīng)根據(jù)不同的需求選擇合適的填充工藝,如圖16所示。底部流動填充工藝,是在毛細(xì)表面張力作用下,膠填充芯片和基板底部空隙之間,膠的流動能夠使芯片和基板之間的氣體盡量驅(qū)除出去,減少氣泡的殘留。芯片與基板之間空隙足夠大,可選用底部流動填充工藝,如果芯片面積特別大或芯片與基板的空隙小可以選擇底部不流動填充工藝,應(yīng)根據(jù)不同的需要選擇相應(yīng)的填充工藝。6下填充技術(shù)的發(fā)展前景隨著芯片技術(shù)的發(fā)展,封裝密度要求越來越高,傳統(tǒng)的封裝技術(shù)已經(jīng)不能滿足要求,而倒裝焊的發(fā)展為解決高密度封裝帶來了希望。凸點(diǎn)制備技術(shù)發(fā)展多樣化,為滿足不同的需求提供了不同制備方法的選擇,但是都存在一定的缺點(diǎn),這也表明凸點(diǎn)制備技術(shù)還有很大的發(fā)展空間。UBM的發(fā)展也呈現(xiàn)多樣化發(fā)展,由于與凸點(diǎn)制備技術(shù)分不開,UBM必將隨著凸點(diǎn)的發(fā)展而繼續(xù)得到進(jìn)一步發(fā)展。下填充技術(shù)中,為了減少芯片、不同凸點(diǎn)和基板間的失配,下填料的開發(fā)會顯得尤為重要,為了能夠使用不同下填料填充芯片和基板間的空隙,下填充工藝的發(fā)展必不可少,并且最有可能與凸點(diǎn)制備所用的厚膠結(jié)合起來,厚膠既作為凸點(diǎn)制備的掩模又作為“底部填充層”,倒裝與底部填充一步完成(加熱并施壓力使膠與基板、凸點(diǎn)與焊盤同時(shí)完成連接)。由于倒裝焊的眾多優(yōu)點(diǎn),使得倒裝焊技術(shù)迅速應(yīng)用到高速計(jì)算機(jī)、電子表、手機(jī)、汽車電器、醫(yī)療器械及通信類產(chǎn)品中。雖然倒裝技術(shù)尚不能在高可靠領(lǐng)域獲得應(yīng)用,但隨著材料、新工藝以及新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的出現(xiàn),可靠性得到提高,必將會在未來得到更廣泛的應(yīng)用。(3)化學(xué)與犧牲與濺射基本相同,只是金屬膜是用蒸發(fā)的方法進(jìn)行沉積。其致密度相對濺射要低些,但設(shè)備投入相對低。(2)通過填充物刻蝕用濺射的方法一層一層地在硅圓片上沉積金屬薄膜,然后通過涂膠、掩模光刻以及金屬腐蝕等工序,最后刻蝕掉不是圖樣的金屬膜部分(此部分也可在凸點(diǎn)制備等后工序中完成),留下所需的UBM圖形。(1)金屬間化合物的氧化能與凸焊點(diǎn)材料良好浸潤,可焊性好,不會形成不利于焊接的金屬間化合物,并且還能保護(hù)粘接層和阻擋層金屬不被氧化和沾污。通常選用Au膜、Au的合金膜或Cu膜。表1列出了主要常用的UBM結(jié)構(gòu)層中的材料及每層材料的推薦厚度。(3)不構(gòu)成凸點(diǎn)焊材料能有效阻止凸點(diǎn)焊材料(包括浸潤層材料)向本層擴(kuò)散,并不被凸點(diǎn)焊材料溶解掉,從而避免凸焊點(diǎn)材料進(jìn)入Al層而形成