（通信与信息系统专业论文）芯片倒装技术在光电子器件封装中的应用研究.pdf

一一一 茎堡坚皇型堂婴窒堕堡主迨奎 ；| l i it iii ii i ii ii l li ii l y 19 9 6 7 9 0 摘要 随着光电子器件向着小型化、高速化，集成化的趋势发展，用于芯片互连的传统 引线键合方式面临着越来越大的挑战。而采用芯片的倒装连接，因与引线键合相比具 有优越电性能，安装互联面积小，倒装结构易于进行光无源耦合等优点，不仅可以解 决器件小型化、集成化、高速化发展趋势要求的问题，同时配合全自动贴片设备，可 实现光电子器件的自动化批量生产。因此，将倒装芯片技术应用到光电子器件封装中 有着极好的应用前景。 然而，光电子器件中应用的芯片一般十分微小，芯片上相邻焊盘电极间距离往往 会非常近，比如节距在1 0 0um 以下。因此，一些传统的芯片倒装技术，如c 4 回流 焊工艺，并不能完全适用于光电子器件封装领域。另外，光电子封装中不允许加助焊 剂等问题，也是我们同时需要注意的方面。针对光电子器件封装的这些特点和存在的 问题，本论文提出了可应用于光电子器件封装的芯片倒装技术，包括电镀法和球焊打 球法制作芯片凸点的技术，和包括各向同性异性导电胶粘接、紫外胶固化机械式粘 接、热压超声焊接在内的凸点芯片的倒装连接技术。这些倒装工艺及技术，可认为是 当前及今后一段时期内，光电子器件封装领域微细倒装运用的恰当解决方案。 在基于倒装的具体光电子器件封装应用中，常常需对单个离散的芯片进行倒装互 连。此时，只能以圆片为单位的凸点制作法，如电镀法，是不适合的。针对这种情况， 并结合企业工艺和生产设备的现状，本文选择金丝球焊打球法作为芯片凸点的最终制 作方案，并对该凸点制作方法进行了工艺实验，制作出的凸点尺寸能够满足后续热压 超声焊接加工的要求，凸点抗剪切力远远大于相关标准所规定的最小强度要求。 最后，基于金丝球焊法制作钉头金凸点和热压超声倒装焊接工艺，进行跨阻抗放 大器芯片的微细倒装实验研究，并通过后续各项焊接质量检测验证了所制作钉头凸点 的可焊性和该微细倒装方案在光电子器件封装应用中的可行性。 关键词：光电子器件封装：引线键合；芯片倒装；微细节距。 武汉邮电科学研究院硕士论文 a b s t r a c t t h et r a d i t i o n a lw i r eb o n d i n gf a c e sm o r ea n dm o r ec h a l l e n g e sw i t hd e v e l o p m e n tt o w a r d m i n i a t u r i z a t i o n ，i n t e g r a t i o n ，a n dh i g h s p e e d c o m p a r e dw i t hw i r eb o n d i n g ：f l i pc h i p t e c h n o l o g yi sa ne f f e c t i v em e t h o d 弱t h et e c h n o l o g yo f f e r ss m a l lf o r mf a c t o r , s h o r t i n t e r c o n n e c t e dd i s t a n c e ，a n dt h ef l i pc h i ps t r u c t u r ew h i c hc a nb ee a s ys u i t a b l ef o ro p t i c a l p a s s i v ec o u p l e de t c i tc a nn o to n l y s o l v et h ep r o b l e m so fd e v i c em i n i a t u r i z a t i o n ， i n t e g r a t i o n ，a n dh i g h s p e e dd e v e l o p m e n tt r e n d ，b u ta l s oc a ni m p l e m e n tt h ea u t o m a t i cm a s s p r o d u c t i o no fo p t o e l e c t r o n i cd e v i c e sw i t ha u t o m a t i cp i c k - a n d - p l a c ee q u i p m e n t s t h e r e f o r e ， f l i pc h i pt e c h n o l o g yu s e di no p t o e l e c t r o n i cp a c k a g i n gw i l ls e ev e r yg o o da p p l i c a t i o n p r o s p e c t s h o w e v e r , t h ec h i p su s e di no p t o e l e c t r o n i cd e v i c e sg e n e r a la r ev e r yt i n y t h ep i t c h b e t w e e na d ja c e n te l e c t r o d ep a di nt h e s ec h i p sw i l lo f t e nv e r yn e a r , s u c h 弱p i t c hb e l o w10 0 l am t h e r e f o r e ，s o m et r a d i t i o n a lf l i pc h i pt e c h n o l o g i e s ，s u c ha sc 4r e f l o wp r o c e s s ，c a n n o t b ec o m p l e t e l ys u i t a b l ef o ro p t o e l e c t r o n i cd e v i c ep a c k a g i n g i na d d i t i o n ，s o m ep l a c e sa r e a l s on e e d e dh i g ha t t e n t i o ni no p t o e l e c t r o n i cp a c k a g i n g ，s u c ha sf l u x l e s s b a s e do nt h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h eo p t o e l e c t r o n i cd e v i c ep a c k a g i n g , s o m ep r o s p e c t i v ef l i p c h i pb o n d i n g t e c h n o l o g i e sa r ep r o p o s e df o rt h e i ra p p l i c a t i o n si nt h i sp a p e r , i n c l u d i n gt h ee l e c t r o p l a t i n g b u m p i n g ，t h eg o l d s t u db u m p i n g ，a n dt h ei s o t r o p i c a l l y a n i s o t r o p i c a l l yc o n d u c t i v er e s i n c o n n e c t i o n ，t h eu l t r a v i o l e tr e s i nm e c h a n i c a lc o n n e c t i o n , a n dt h et h e r m o s o n i ct e c h n o l o g i e s t h e s ep r o c e s s e sa n dt e c h n o l o g i e sa r ea p p r o p r i a t es o l u t i o n su s e df o rf i n e - p i t c ha p p l i c a t i o n o fo p t o e l e c t r o n i cd e v i c e sp a c k a g i n gi nt h ec u r r e n ta n df u t u r ep e r i o d b u ti nt h es p e c i f ca p p l i c a t i o n so fo p t o e l e c t r o n i cd e v i c e sp a c k a g i n gu s e df l i pc h i p ，o f t e n e n c o u n t e rs i n g l ed i s c r e t ec h i p a tt h i sm o m e n t ，t h eb u m p i n gm e t h o d so n l yi nw a f e ra r en o t s u i t a b l e ，s u c ha se l e c t r o p l a t i n g i nv i e wo ft h i sc o n d i t i o n ，a n dc o m b i n i n gw i t hc u r r e n t s i t u a t i o no fe n t e r p r i s et e c h n o l o g ya n dp r o d u c t i o ne q u i p m e n t s ，g o l d - s t u d b u m p i n gi sc h o s e n a u st h ef i n a la p p r o a c ho fm a k i n gb u m po nc h i p s a n dt h ee x p e r i m e n to f g o l d - s t u db u m p i n g p r o c e s si sc a r r i e do ni nt h i sp a p e r , t h er e s u l to fe x p e r i m e n tc a ns a t i s f yt h ef o l l o w i n g r e q u i r e m e n t so ft h e r m o s o n i cp r o c e s s ，a n dt h es t r e n g t ho fs t u db u m pi sl a r g em o r et h a nt h e m i n i m u m r e q u i r e m e n ti nr e l e v a n ts t a n d a r d s f i n a l l y , b a s e do nt h ep r o c e s s e so fs t u dg o l db u m p i n ga n dt h e r m o s o n i cc o n n e c t i o n ，t h e f i n e p i t c hi n t e r e o n n e c t o i no fa ni m p e d a n c ea m p l i f i e rc h i pi sr e a l i z e d a n d ，t h es o l d e r a b i l i t y 武汉邮电科学研究院硕士论文 o fg o l ds t u db u m p sw h i c ha l em a d ea n dt h ef e a s i b i l i t yo ft h ep r o g r a mo ff l i pc h i pp r o c e s s a r ev e r i f i e di nt h i sa p p l i c a t i o nt h r o u g ha l lk i n d so fw e l d i n gq u a l i f i e st e s t s k e yw o r d s ：o p t o e l e c t r o n i cd e v i c ep a c k a g i n g ；w i r eb o n d i n g ；f l i p c h i p ；f i n e p i t c h 武汉邮电科学研究院硕士论文 1 1 芯片倒装技术概述 第1 章绪论 芯片倒装技术源自2 0 世纪6 0 年代初美国m m 公司研制开发出的在芯片上制作 凸点的固态工艺凸点技术【l 】，并于1 9 6 4 年首先用于电子计算机系统上，制成倒装焊 接的厚膜混合集成电路组件。这种技术采用电镀n i a u 的c u 球，再用p b s n 焊料包 裹。但由于难以制作出直径很小的c u 球，也就限制了凸点尺寸向更小的方向发展。 于是i b m 公司于1 9 7 0 年又研制开发出了不用c u 球，完全用p b s n 形成凸点的方法， 即可控塌陷芯片连接( c 4 ，c o n t r o l l e dc o l l a p s ec h i p c o n n e c t i o n ) 技术，随后进一步发 展成可以利用熔融凸块的表面张力来支撑芯片的重量及控制凸块的高度，并成为倒装 芯片技术的发展概念。 ： 所谓的芯片倒装技术，即是指在裸芯片( d i e ) 的接合点上生成凸点( b u m p ) ，将基板 上的接点与芯片上凸点相对应，将芯片翻转并对准基板上的接点，将其放置于基板上， 通过倒装焊接技术把芯片和基板互连在一起，形成稳定可靠的机械，电气连接，如图 1 1 所示。 图1 1 芯片倒装技术的示意图 因此，芯片倒装技术通常包括凸点的制作、对准和倒装焊接及芯片下填充等多个 步骤【1 埘。其中，芯片凸点是在原芯片金属布线电极焊区或重新布局的新焊区上形成 的，凸点的形成有蒸发、溅射、电镀、化学镀、球焊打球、模板印刷等多种方法，尤 l 武汉邮电科学研究院硕士论文 以电镀法最为常用，目前，最常用的凸点有焊料凸点、硬凸点；倒装焊则是指在倒装 技术中用于实现芯片和载体基板的机械连接和电气连接的互连方法，对于焊料凸点， 一般采用回流焊接工艺，而对于金属硬凸点来说，相对可选择的互连方法就比较多了， 如，热压键合、热超声键合、非导电及导电胶粘接法等：倒装芯片组装通常要求进行 下填充，其作用是提供芯片与基板的可靠连接，保护芯片表面不受污染，匹配焊点、 基板材料和芯片的热膨胀系数。 芯片倒装技术是当今半导体封装领域的一大热点，它既是一种芯片互连技术，又 是一种芯片安装技术。以往的芯片安装互连都是将芯片的有源区面朝上，背对基板用 粘胶或焊料来实现与基板间的物理连接，然后采用引线键合或载带自动键合【l 】( t a p e a u t o m a t e db o n d i n g ，t a b ) 实现电气互连。而芯片倒装技术则是将有源区面对基板， 通过芯片上的凸点同时实现芯片的物理和电气互连。与传统的引线连接与载带连接相 比，倒装芯片面朝下，芯片上的焊区直接与基板互连。互联线非常短，互联产生的杂 散电容、互连电阻与互连电感非常小，适于高频、高速的电子产品应用。安装互联所 占的基板面积小，安装密度高。芯片焊区可面阵布局，更适于高输入输出端子数的 超大规模集成电路芯片使用。安装与互连同时完成，大大简化了工艺，快速省时，适 于使用先进的s m t ( s u r f a c em o u n t i n gt e c h n o l o g y ，表面贴装技术) 进行工业化大批量 生产。 随着多功能、高性能的大规模集成电路和超大规模集成电路的飞速发展，i o 数 迅速增加，一些电子整机的高密度组装及小型化、薄型化，高速化要求的日益提高， 芯片倒装技术所具备的优越电性能、高密度小尺寸封装以及可直接贴装h i c ( h y b r i d i n t e g r a t e dc i r c u i t ，混合集成电路) 、p w b ( p r i n t e dw i r i n gb o a r d ，印制电路板) 、m c m ( m u l t i c h i pm o d u l e ，多芯片组件) 等优越性能，因其旺盛的需求而充分发挥出来， 美国、日本、欧洲的各大电子公司都相继研制开发出了各种各样的倒装工艺技术，而 且与快速自动化的s m t 结合了起来，这一系列优点促使倒装芯片技术在高密度封装 电子系统中大放光彩，广泛采用。 1 2 芯片倒装技术在光电子器件封装中的目的和意义 随着光纤通信网络的速率由2 5 g b s 、1 0 g b s 向着4 0 g b s 甚至更高速率的发展，采 2 武汉邮电科学研究院硕士论文 用引线键合来实现器件电互连的方式，如图1 2 所示，因引入寄生参数大将面临着越 来越大的挑战。另外，对于将各种芯片装配在一个平台上的光混合集成器件来说，仅 使用常规的有源对准技术】，几乎是不可能的，故基于倒装的无源对准技术对于发 展光混合集成是必不可少的。然而，引线键合时有源面是朝上的，并且光端口和电端 口常常位于同一个面，这将给光混合集成器件的光互连带来诸多不便。 图1 2 引线键合的示意 而采用芯片倒装技术可以解决上述所提到的光电子封装中的各种问题【5 6 】。倒装 时，芯片面朝下，芯片上的焊区直接与基板互连，故互连线非常短，大大减小了电感、 电阻以及电容，极大地提高了信号的传输速率，是实现高速、大容量光纤网的重要技 术。封装体积小，有效降低封装尺寸。并且，倒装结构可以使光电子器件的光端口和 电端口分别位于芯片的正反两个面上，这将大大减少引线键合的互连方式给器件的光 耦合带来的不便。在采用回流焊接的倒装焊技术中，利用焊料熔融后液态焊料的表面 张力还可产生自对准效应，实现无源自对准。这些特点对于光混合集成电路中光路的 连接与耦合都是非常有利的，可以较好的适应现在通信用光混合集成化新型光电子器 件的小型化，高性能，高速度，低成本化的发展趋势。而且，倒装芯片工艺的开发， 配合全自动贴片设备【7 ，8 1 ，可实现光电子器件的自动化批量生产。因此，将倒装芯片 技术应用到光电子器件封装中有着极好的应用前景。 1 3 芯片倒装技术在光电子器件封装中的应用 基于光混合集成技术的驱动，以及芯片倒装技术在微电子封装中的应用，2 0 世纪 9 0 年代，外国研究者就开始尝试有关将芯片倒装技术应用到光电子器件封装领域方面 的研究，到现在已研制出了一些基于倒装的光电子器件。 从倒装结构上来看，倒装互连线非常短，有效地降低了寄生效应，适合高灵敏度 的信号处理电路与光电子器件，尤其是半导体激光器( l d ) 和光电探测器( p d ) 与电子 芯片之间的互连。在国际上已开发了采用倒装技术的光收发模块【9 ，1 0 】。而对于在倒 3 武汉邮电科学研究院硕士论文 装芯片结构中，由信号传输速度增加，粘贴面信号传输线和凸点附近的接地导线间附 加电容增大，而导致的光电子器件性能退化的问题，在国际上也已开发了可减少附加 电容的一种新的倒装芯片技术共平面波导( c p w ) t 1 1 】，并已实际应用蛰j 4 0 g b s 光接 收模块【1 0 】中，该模块在4 0 g b sn r a 信号输入时可获得清晰的眼图，并且模块的光电 相应的3 d b 带宽至少可以达到5 0 g h z 。 芯片倒装技术也可以结合光学多模块组件技术【1 2 】，将各种光学芯片和用于信号处 理的电子芯片封装在同一个管壳内，以实现小型化。这方面较典型的应用是用于交叉 连接的矩阵光开关这类含有多芯片和阵列芯片的混合集成光模块 1 3 , 1 4 】。倒装互连可以 使光电子器件的光端口和电端口分别位于芯片的正反两个面上，并且焊料凸点可以在 一次回流过程中同时进行对准，大大减少了定位多芯片所需要的工艺步骤和时间，从 而简化了工艺。目前，已经在制作有p l c ( p l a n a rl i g h t w a v ec i r c u i t ，平面光波导回路) 和电子线路的公共平台上组装多个光芯片和电子元件的应用中，利用该技术实现了所 有通道的波导和光芯片之间要求三维的光轴对准，并满足所有通道的定位精度为 士1 岬【b j 的要求。 现今，光电子产业面临的挑战，就是要进行封装和组装概念的变革，类似于三十 多年前，微电子领域内的封装技术的变革。随着光纤通信、光交换和光互连等信息技 术的飞速发展，光电子器件正向着高密度、高性能、高速率和低成本的趋势发展。这 就对光电子器件封装提出了新的要求，如：集成化，小尺寸，低成本，优越的电性能， 有效的热传导性等。而倒装技术因芯片焊区可面阵布局，对准与互连可同时完成，适 用于先进的表面贴装技术等特点，可与现有的光学多芯片组件，无源对准【3 一，p l c 1 6 , 1 7 1 等多种光混合集成技术很好的结合使用，来迎合未来光电子器件封装的发展趋势。 0 1 4 课题研究的内容 尽管与以往的芯片互连技术相比，芯片倒装技术具有明显的优势，但是在目前， 光电子器件封装中相关芯片的倒装研究及其应用还十分有限，尤其是在国内。要使其 在光电子器件的封装领域内得到广泛的应用，研究人员在采用倒装工艺以前，必须对 这些技术有所了解，应结合现代光电子器件封装的特点和存在的问题，选择最适合的 倒装工艺，最大限度地利用这一先进的技术，使其优势能在应用中得以充分的发挥。 4 武汉邮电科学研究院硕士论文 本课题研究的内容如下： ( 1 ) 对芯片倒装技术所涉及到的各种工艺技术，包括芯片的凸点化，凸点化芯 片的倒装焊接以及下填充进行理论性研究，比较各种工艺存在的优缺点。 ( 2 ) 结合现代光电子器件封装的特点和存在的问题，以及企业工作的实际情况， 确定芯片倒装技术在光电子器件封装领域应用中的可供选择的方案。 ( 3 ) 针对基于倒装的光电子器件封装应用中，常常遇到需对单个离散芯片进行 倒装互连的情况，选择金丝球焊打球法作为芯片凸点的制作方案，对该凸点制作方法 进行了工艺实验研究。 ( 4 ) 基于金丝球焊法制作钉头金凸点，及采用热超声倒装焊接工艺，进行某跨 阻抗放大器芯片的微细倒装实验研究。 5 武汉邮电科学研究院硕士论文 2 1 引言 第2 章芯片倒装工艺的关键支撑技术 芯片倒装技术的最终结果是一个封装，但它本身是一种互连工艺而非封装，可以 采用各种不同的方法来改变工艺以满足各种不同的应用要求。倒装工艺通常包括凸点 的制作、倒装焊接及芯片下填充三种关键支撑技术。本章主要是对芯片倒装工艺所包 含的三种关键支撑技术进行介绍，并对每一种技术中所涉及到的不同工艺方法、工艺 流程、工艺原理、优缺点及应用范围进行了较为详细的分析与比较。 2 2 芯片凸点制作技术 2 2 1 芯片凸点的结构 芯片倒装技术是通过凸点来实现芯片和载体以及芯片之间的电气和机械连接，起 着确保芯片和外界之间的输入输出畅通的重要作用。因此，凸点的制作是整个倒装 技术的关键。倒装芯片虽有各种差异，但其基本结构都是一样的，都是由i c ( i n t e g r a t e d c h i p ) 、u b m ( u n d e r b u m pm e t a l l u r g y ，凸点下金属化层) 【18 】和凸点组成。如图2 1 所 示是一个典型的凸点结构示意图。 i c 上的 化层 图2 1 凸点结构示意图 其中，u b m 层是芯片焊盘和凸点之间的金属过渡层，为芯片的电路和凸点两方 6 武汉邮电科学研究院硕士论文 面提供高可靠性的电学和机械连接。该层是芯片凸点制作技术的关键因素之一，其质 量的好坏直接影响到凸点质量，倒装焊接的成功率和封装后凸点的可靠性。 u b m 层通常是一种多层金属构成的复合金属层，u b m 层的结构一般为：从芯片 上的钝化层往上，依次为粘附层、阻挡层、浸润层和抗氧化层( 可选) 。 粘附层的目的是为了增强凸点和芯片金属层、芯片钝化层以及其他各种介质钝化 层之间的粘附力，提供牢固的键合界面。典型的粘附金属材料有：铬( c o 、钛( t i ) 、 镍( n i ) 、钨( w ) 、钛化钨( t i w ) 和锌酸盐( z n 化合物) 。 阻挡层的常用金属有：铬( c r ) 、钨( 哪、钛( t i ) 、钛化钨( t i w ) 、镍( n i ) 和铬铜( c rc u ) 。 阻挡层的目的是凸点金属和外界污染离子向芯片金属层和粘附层的扩散。这种扩散会 形成脆性金属化合物，对芯片金属层或粘附层产生腐蚀，显著降低互连系统的可靠性。 阻挡层上面是浸润层，这层金属不仅为上层凸点金属提供料浸润对象，还会与其 反应生成金属间化合物。这种金属化合物般由凸点金属较活泼的凸点金属原子扩散 到浸润层后形成。 u b m 层通常是在整个晶圆表面沉积多层金属来实现。用于沉积u b m 层的技术 包括蒸发、化学镀和溅射沉积。蒸发和溅射由于其成本高昂、工艺复杂、可靠性高而 主要应用于高端产品。化学镀制备的凸点下金属层不仅成本低廉、工艺简单，而且镍 层厚度均匀、致密，没有晶界，为缺少扩散通道的无定形结构。表2 1 给出了一些常 用的u b m 层及参考厚度【l 】。 表2 1 常用的u b m 层及参考厚度( 单位：pm ) 粘附层 阻挡层 浸润层 t i ( o 1 0 )n i 或p t 或p d ( o 3 5 o 8 0 ) a u ( o 1 0 ) c r ( 0 1 5 ) c u ( 0 4 5 1 0 0 ) a u ( 0 1 5 o 4 5 ) t i n ( 0 1 0 ) n i ( 0 3 0 )a u ( 0 1 0 ) t i ( o 1 5 ) n i ( 0 3 0 1 o o ) e d ( o 1 0 ) t i ( o 1 0 ) w 或c u ( 1 o o ) c u ( 1 o o ) 7 武汉邮电科学研究院硕士论文 2 2 2 常用芯片凸点制作方法 凸点的制作是芯片倒装技术的关键。目前，在电子封装领域内较为常用的有：蒸 发沉积法、电镀法、化学镀法、球焊打球法、模板印制法等【1 1 9 刎。每种方法适合于 不同的凸点材料和倒装工艺。下面对各种凸点制作工艺进行介绍和评价。 1 蒸发沉积法 由m m 在6 0 年代所发展出来的技术，在制程上先将晶圆片放入真空容器内，材料 在真空中加热、蒸发，透过金属掩模板( m e t a lm a s k ) 以气体方式一层一层蒸镀到晶 圆的焊垫上面，如图2 2 所示，其整体制作流程如图2 3 所示。 。：东黎 镳缀参 图2 2 蒸发沉积凸点 = 男曩曩曩一一。“曩罗黑曩暑一：。j 7、 j ，。、o ：z 了一，j 、_ = ! ! 了一， 之么 兰：一z l_ 二 j j j 蒸发溅射u b m 和凸p 疥3 一、 = 兰盗0 i - ：7 2 同磐盐= 二 = - ：= = 二i = 二 同流形成凸点 图2 3 蒸发沉积结合金属掩模板制作凸点的工艺流程 国 武汉邮电科学研究院硕士论文 很明显利用这种方法制作的凸点的尺寸和节距受金属掩膜板制作技术的限制影 响，并且一种掩膜板只能针对一种芯片，灵活性较差。而且对于窄节距凸点的情况， 采用这种方法制作凸点会受到限制【2 1 1 。因为，模板的对准与固定困难，将制作的金属 掩模板与芯片焊区对位后进行固定时，容易在晶圆片的边缘产生不均匀的夹持并导致 金属掩模板的发生翘曲，随着凸点尺寸和节距的逐渐减小，需要减小金属掩模板的厚 度，这就使得模板变得更加柔软，最终加剧了不均匀的接触现象。而且，掩模板和晶 圆片并不是直接接触，它们之间存在着一定的间隙，沉积金属薄膜时容易产生泄漏或 者毗邻凸点间出现桥接短路现象。 另一种蒸发过程是利用光掩模板来代替金属掩模板。焊料蒸发并沉积到焊盘和光 刻胶上，在光刻胶和焊盘上沉积的焊料是不连续的。随后通过去除光刻胶，则其上的 焊料也被去除掉，剩余的焊料即形成凸点，如图2 4 。这种方法是使用光刻掩膜进行 套刻，故可实现窄节距凸点的制作。目前，利用该种方法可制作最小凸点间距达到1 5 l im 2 2 j 的铟( 1 1 1 ) 凸点。 工艺开始 光刻胶 l 一。霭锄嘲黪痨寥磐 i 重新涂布光刻胶 的光刻胶 u b m t i 一 i 涂布光刻胶溅射u b m 层 蒸发凸点材料 去除光刻胶，形成凸点 图2 4 蒸发沉积结合光掩模板制作凸点的工艺流程 蒸发沉积法在i b m 经历数十年不断的改进下，证实是目前世上品质最好且最可靠 方法，许多要求高可靠性及品质的产品依然采用该种方法。但是该方法将受到凸点材 料的限制，目前主要用于p b s n 、i n 凸点的制作，并且对于一定高度如数十微米的凸点 需要长时间蒸发溅射，要求多源、多靶，设备费用高效率低，难以大批量生产。 9 _ - 武汉邮电科学研究院硕士论文 2 电镀法 电镀法是国际上最为普遍且工艺成熟的凸点制作方法。它的原理是依靠电场反 应，使金属从金属盐溶液中析出，并在芯片的电极焊盘上形成凸点。电镀法具有制作 工序与半导体前道工序兼容并且凸点高度及合金成分容易控制，成本低、易于批量生 产、凸点一致性好，可以制备绝大部分凸点。由于是使用光刻掩膜进行套刻，再通过 曝光显影来形成电镀凸点窗口，因此利用这种方法可以制作不同尺寸、节距和几何形 状的凸点。如图2 5 所示为电镀法制作凸点的工艺流程图，在已形成焊盘及钝化层的 晶圆上，先溅镀( s p u t t e r ) - - 层u b m 层( 如所示) ；之后于u b m 层上形成一层厚度相 当厚的光刻胶，此光刻胶层为液态光刻胶或干膜光刻胶，接着进行曝光显影制程，以 暴露出欲形成之焊接凸点的区域( 如) ，其厚度与将形成之凸点的高度相关。通常， 若能制备较高的凸点，则可以提高焊接的可靠度。而目前提高焊接凸点高度之方法， 可藉由加厚光刻胶层的厚度，再进行电镀制程来达成，或者利用电镀形成往光刻胶层 上方延伸( 如) 的菇状凸点来达成，随后以所形成的凸点作为蚀刻罩幕，对u b m 层进 行蚀刻( 如) ；最后进行回流( r e f l o w ) 形成球状凸点，对于电镀制作金等硬凸点时 无需此步骤。 钝化层焊盘 7 + 二：二- - - 王二：二：3 i一 工艺开始 光刻胶 涂光刻胶并形成 电镀窗口 去除光刻胶，刻 蚀u b m 蒸发溅射u b m 凸虑 图2 5 电镀法制作凸点的工艺步骤 1 0 碱_，蛩赢掣：竺嗍蓊篆 武汉邮电科学研究院硕士论文 电镀的凸点高度与电流密度砬、电镀时间t 和电镀液的电流效率 1 密切相关。由 电解定律，镀层厚度6 为 6 ：幺：! ：翌：墨 。d 这里，k 为电化当量，单位为g ( a h ) ；d 为电镀金属的密度，皿单位为g c m 3 ： 的单位为a d i n 2 ；t 的单位为h ； 1 为电流效率。 为了电镀出颗粒细、均匀性和一致性好的凸点，最好采用流动性镀液。电源也是 影响凸点质量的重要因素，脉冲电源比直流电源好，因为脉冲电源的瞬时电流密度大， 成核点多，电镀的凸点颗粒细，且均匀性、一致性好。 3 化学镀法 化学镀的实质是一个在催化条件下发生的氧化还原过程。化学镀的溶液通常由欲 镀的金属离子以及络合剂、还原剂构成。镀液中的金属离子是依靠还原剂的氧化来提 供所需的电子而还原成欲镀的金属原子，并沉积到被镀部件的表面上去。 i c 芯片的焊区金属通常为灿，直接在a l 上不能镀出合乎要求的凸点金属。因为， a l 的化学性质活泼，他与氧的亲和力很强，在大气中极易生成一层薄而细致的氧化层， 即使刚刚去除氧化层，又会在新鲜的表面立即生成新的氧化层，这严重影响镀层金属 与a l 焊区金属的结合力：a l 的电极电位很负，很容易失去电子，当i c 芯片浸入化学镀 液中时，即刻能与多种金属离子发生置换反应，而使其他金属与a 1 形成结合镀层。这 种结合镀层疏松粗糙，与舢的结合力很差，从而严重影响镀层金属与a l 的结合力： a l 的膨胀系数与许多金属镀层的膨胀系数差别大，在a l 上直接获得镀层的内应力大， 容易在热循环中使a l 与镀层间发生失效。 要解决上述a l 与镀层的结合力这一关键问题，一般使在砧与镀层金属间加入既与 a l 结合力好又与镀层金属结合力好的中间金属层，使得在除去朋上氧化层的同时就生 成这一中间金属层，从而能够防止氧化层的再生成，并防止舢在化学镀时与镀液发生 置换金属的反应，这就保证了a l 与镀层金属之间的良好结合力。 一种简便易行的方法就是用锌酸盐在a 1 上制取中间金属层。其原理是：当烈焊区 金属浸入锌酸盐溶液中时，a l 上的氧化层就溶解下来，他与n a o h 发生如下化学反应： 彳乞q + 2 n a o h = 2 n c a t 0 2 + 1 1 2 0 武汉邮电科学研究院硕士论文 接着，z n 与纯a l 发生置换反应，z n 原子沉积在灿上，化学反应如下： 4 如d 3 + 2 n a o h = 2 n o d l o , + 吼o 通常采用二次浸z n ，这对提高浸z n 层的质量和改善结合力具有明显的效果。至 此，制成了a l 上稳定可靠的中间金属层，以后即可按常规的化学镀方法来进行凸点制 作了。 利用该工艺可以直接对暴露出铝键合点的晶圆片的表面形成化学镀镍金层。化 学镀镍金层可以作为焊料凸点的u b m 层【2 3 1 ，通过漏印焊料回流形成凸，也可以直 接作为凸点【2 4 】，焊料在组装时印刷在基板上。化学镀镍金凸点制作的工艺流程如图 2 6 所示。 该种方法除可进行晶圆片i c 化学镀凸点外，还可以对已经切割好的i c 芯片化学镀 凸点【2 5 1 。由于无需蒸尉溅射多层金属化工艺，省去了这些工艺中所需要的昂贵的设 备，还可以很容易的实现量化生产，因此是一种满足低成本要求的凸点制作技术。化 学镀的镀层光亮致密，孔隙少，抗蚀能力强，结合力好，不受镀件复杂形状的限制， 可获得厚度均匀性、一致性好的镀层，但镀液化学成份复杂、难掌握，凸点高度也有 限。 尸 一n m ，“，一u ”“。 ，浸a u 1 图2 6 化学镀镍金凸点的工艺流程 4 球焊打球法 十多年前，m m 公司和k & s 公司开发了球凸点形成工艺技术，称为球焊打球技术。 此工艺过程首先涉及到对芯片焊盘的球压焊技术，接着把焊丝拉到断裂点，最后形成 有短尾部的凸点。为了在球附近形成光滑的断裂口，可使用含有1 铂的金丝。焊料 1 2 n o # _ z 。一 浸 _ 武汉邮电科学研究院硕士论文 和别的金属也可使用。很多改变是明显的，包括平面性方面的凸点精压技术和更高、 更复杂的金属化的堆叠凸点形成技术 2 6 1 。机械形成凸点技术，长期使用于试制形式。 由于通过引线键合机获得了惊人的速度，已移入生产模式。金和金凸点及焊料凸点均 被实施。d e l e o 公司和k & s 公司联合生产钉头凸点的倒装芯片产品，别的公司在不远 的将来预计生产凸点芯片。其制作凸点的工艺步骤如图2 7 所示。 毛细管 金属线 尉妙q 矽 l “钉头垫线尾 图2 7 球焊打球制作法 、 采用常规的金丝球焊机( 手动机及无去线尾功能的自动机) 制作钉头凸点，一般会 在凸点的顶部留有长约0 0 3 m m o 3 m m 的线尾。此线尾机械强度弱且造成凸点高度一 致性差而使钉头金凸点的实用性不好，有必要采用手工夹除、重物压平、实心焊针砸 打【2 7 】等方法来去除线尾而将钉头整平。 球焊打球技术具有不需在i c 芯片的电极区上制作出多层凸点下金属( u b m ) 的复 杂晶圆加工，工艺简便易行，成本低廉，可以在离散芯片上制作凸点，倒装时凸点可 基本保持原有形状等优点。该技术通常用于i o 数目相对较少的器件，凸点尺寸与引 线的直径( 通常1 2 m i l ) 及工艺有关，因此焊球的大小和形状可根据特定的应用进行定 制。利用该技术可制作非常精密的、低至6 5pm 间距的凸点。 5 模板印刷法 模板印刷法是把预置焊膏通过掩模板上的孔转移到芯片焊垫上来形成凸点的，如 图2 8 所示。其中模板的制作主要有三个方法：化学蚀刻、激光切割和电铸成型 2 8 1 。 此一方式早已为s m t 业界广泛使用。 对于晶圆凸点工艺，利用模板印刷平台进行批量压印是一种经济上颇具吸引力的 方法，因为这种方法的设备投资低得多。印制头只需几秒钟的时间，即可将焊膏涂敷 到整个网板上，可同时对几十万个焊垫进行凸起加工，因此，该工艺在产量方面具有 1 3 武汉邮电科学研究院硕士论文 明显优势。 对于凸点之间的间距小于1 5 0ui n 时，由于模版印刷不能均匀分配焊料体积，再 流后焊料凸点的高度及一致性就差了，相邻凸点易出现桥接 2 9 , 3 0 1 。所以对于窄节距的 应用受到了限制，因此最近几年，正在发展新的焊膏材料和金属掩膜板制作技术，来 克服这些问题。另外，为了满足微间距印刷的要求，还需要优化与控制印刷压力、印 刷和脱网速度。而且，其他参数，例如，适合晶片级凸点印刷的基片固定、刮刀、环 境控制、焊膏使用寿命和基片分离速度也是提高成品率的关键。 模极 一 图2 8 模板印刷法制作凸点的工艺步骤 2 2 3 几种芯片凸点制作工艺的比较 以上介绍了芯片凸点的各种方法，各有其优缺点及适应范围，现列表进行综合比 较，如表2 2 。 表2 2 各类凸点制作方法的比较 凸点制作方法优点缺点 工艺成熟，悠久的生产历史，高 设备昂贵，成本高，材料选 蒸发沉积择有限，主要用于p b s n 、i n 可靠性 凸点的制作 1 4 武汉邮电科学研究院硕士论文 表2 2 各类凸点制作方法的比较( 续) 凸点制作方法优点缺点 易于批量生产，凸点一致性好， 电镀良率高，材料选择宽泛，适合微 细节距( 4 0 l am ) 凸点的制作 无需蒸发溅射多层金属化工艺， 凸点高度受限，镀液化学成 化学镀低成本，凸点均匀性、一致性好， 份复杂、难掌握 可用于单芯片凸点的制作 无需凸点下金属层，工艺简便易 串行凸点制作工艺，凸点成 球焊打球法行，可进行晶圆级加工，也可在 本正比于i 0 端子数 任意单个芯片上进行操作 成本低，适于批量生产，材料选 焊盘节距限制 1 5 0um ，不 模板印刷择宽泛，各种铅锡，无铅焊料均 适合窄节距凸点的制作 可使用 2 3 芯片倒装焊接技术 制作好凸点的芯片需要通过倒装焊接才能实现芯片与载体或基板间的电气和物 理连接。如果说凸点是实现倒装封装的物质媒介，那么倒装焊接就是实现凸点作为物 质媒介功能的必要技术手段。合适的倒装焊接技术可以使得凸点功能得以充分的发挥 以及必要的保证。凸点芯片的倒装焊接技术包括多种不同的方法，常见的有热压倒装 焊接、c 4 ( c o n t r o l l e dc o l l a p s ec h i pc o n n e c t i o n ) 回流焊、超声热压倒装焊接、导电粘接 剂互连、紫外胶固化机械式粘接【1 2 3 1 1 。 2 3 1c 4 回流焊接 c 4 回流焊最早起源于美国m m 公司，这种方法专对各类焊料凸点进行再流焊接。 它的焊接机理是在保护气体以及适当的温度下焊料凸点熔化呈液态并润湿待接合之 表面，待成液态状的焊料凸点充分润湿被连接表面之后，以尽可能快的速度进行冷却 u 固化最终实现芯片与基板之间的互连。 1 5 武汉邮电科学研究院硕士论文 正是再流倒装焊接的这种原理，使得该项技术具有以下优点： ( 1 ) 焊接压力小，避免芯片损伤； ( 2 ) 再流焊过程中，焊料表面张力能纠正贴片精度引起的偏移，这种效应被称为 焊接自对准效应，如图2 9 ，可以降低对贴片精度的要求； ( 3 ) 焊料再流过程中的塌陷变形可在一定程度上弥补焊料凸点高度不均匀或基板 表面缺陷( 扭曲或不平整) ； c 4 ) c 4 _ t _ 艺的封装设备与标准的s m t 组装设备兼容，可节约研发成本。 焊盘 焊料凸点辎i 譬茸 回流前 回流中回流后 图2 9 自对准效应 一般采用该种方法实现芯片倒装的主要组装步骤【3 2 1 如图2 1 0 所示，在基板或芯片 上涂敷一些阻焊剂作芯片定位的粘接剂；再用带有图像识别系统的高精度贴片机，经 过精确对位，把芯片放置在基板上；贴片完成后，把基板放入设置好温度曲线的再流 炉中进行焊接，焊接温度视焊料凸点的熔点而定；焊接完成后，要用适当的溶剂清洗 焊剂残留物；最后要进行底部下填充工艺。 施加助焊剂 倒装芯片 啼病遗啼童虱啼啼蕊国豳啼童烈 对位及贴 基板 同流焊接i 撕鼠和 周化 巍凰 底部填充 图2 1 0 再流焊的倒装装配步骤 1 6 武汉邮电科学研究院硕士论文 随着互连部位微细化发展的趋势，再流焊倒装技术将会变得越来越困难。因为当 凸点尺寸变小，凸点节距变窄时，焊料凸点在熔化回流的过程中，相邻的凸点容易搭 接在一起，形成短路现象。并且在再流焊接的过程中会经常使用助焊剂去除焊盘上的 氧化物，有助于焊料与接合表面的润湿。但是助焊剂容易造成污染，尤其当微细连接 时，助焊剂的残余物很难被清除掉，这对于光电子器件来说尤为重要【4 3 3 】： 2 3 2 热压j 迢声热压倒装焊接 热压超声热压焊接法在微电子封装领域应用非常广泛，目前半导体器件引线键 合互连工艺就主要采用这两种焊接技术，现在又把它们应用在凸点倒装焊接工艺中。 这两种技术都适用于硬凸点( 如金凸点) 芯片的倒装互连。它们是靠固相状态下金 属原子的相互扩散实现连接，而凸点与基板焊盘的金属界面处并不发生宏观的塑性流 动。因此，可以实现窄节距的芯片倒装互连【3 4 】。相对于c 4 回流焊互连来说，这种方 法无需使用助焊剂，减少了装配步骤，简化了工艺，是一种干燥、清洁、无铅连接， 对人体和环境无损害。如图2 ：1 1 所示为这种倒装焊接的互连示意图。 图2 1 1 超声热压倒装互连的示意图 一般在使用热压倒装焊时，其工作温度一般在3 5 0 c 。4 0 0 c ，焊