倒装芯片技术

1、2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,1,电子制造技术基础,吴丰顺 博士/教授 武汉光电国家实验室 光电材料与微纳制造部 华中科技大学材料学院,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,2,倒装芯片(Flip Chip)技术,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,3,第一部分,倒装芯片简介,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,4,倒装芯片示意图,在典型的倒装芯片封装中, 芯片通过3到5个密耳(mil)厚的焊料凸点连接到芯片载体上，底部填充材料用来保护焊料凸点,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,

2、5,什么是倒装芯片,倒装芯片组装就是通过芯片上的凸点直接将元器件朝下互连到基板、载体或者电路板上。而导线键合是将芯片的面朝上。 倒装芯片元件是主要用于半导体设备；而有些元件，如无源滤波器，探测天线，存储器装备也开始使用倒装芯片技术，由于芯片直接通过凸点直接连接基板和载体上，因此，更确切的说，倒装芯片也叫DCA （ Direct Chip Attach,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,6,三种晶片级互连方法,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,7,倒装芯片历史,IBM1960年研制开发出在芯片上制作凸点的倒装芯片焊接工艺技术。95Pb5Sn凸点包围

3、着电镀NiAu的铜球。后来制作PbSn凸点，使用可控塌焊连接（Controlled collapse Component Connection, C4），无铜球包围。 Philocford等公司制作出AgSn凸点 FairchieldAl凸点 AmelcoAu凸点 目前全世界的倒装芯片消耗量超过年60万片，且以约50的速度增长，3的圆片用于倒装芯片凸点。几年后可望超过20,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,8,为什么使用倒装芯片,倒装芯片技术的兴起是由于与其他的技术相比，在尺寸、外观、柔性、可靠性、以及成本等方面有很大的优势。今天倒装芯片广泛用于电子表，手机，便携机 ，

4、磁盘、耳机，LCD以及大型机等各种电子产品上,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,9,优点01,小尺寸: 小的IC引脚图形 (只有扁平封装的5）减小了高度和重量。 功能增强: 使用倒装芯片能增加I/O 的数量。I/O 不像导线键合中出于四周而收到数量的限制。面阵列使得在更小的空间里进行更多信号、功率以及电源等地互连。一般的倒装芯片焊盘可达400个,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,10,优点02,性能增加: 短的互连减小了电感、电阻以及电容，保证了信号延迟减少、较好的高频率、以及从晶片背面较好的热通道。 提高了可靠性: 大芯片的环氧填充确保了高可靠

5、性。 倒装芯片可减少三分之二的互连引脚数。 提高了散热热能力：倒装芯片没有塑封，芯片背面可进行有效的冷却。 低成本：批量的凸点降低了成本,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,11,I/O 数比较,倒装芯片与扁平封装的引脚数比较,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,12,信号效果比较,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,13,缺点01,裸芯片很难测试 凸点芯片适应性有限 随着间距地减小和引脚数的增多导致PCB技术面临挑战 必须使用X射线检测设备检测不可见的焊点 和SMT工艺相容性较差,2021/2/3,Prof. Wu Fengs

6、hun, ,14,缺点02,操作夹持裸晶片比较困难 要求很高的组装精度 目前使用底部填充要求一定的固化时间 有些基板可靠性较低 维修很困难或者不可能,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,15,倒装芯片工艺概述,主要工艺步骤： 第一步： 凸点底部金属化 (UBM) 第二步：芯片凸点 第三步：将已经凸点的晶片组装到基板板卡上 第四步：使用非导电材料填充芯片底部孔隙,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,16,第一步：凸点下金属化（UBM，under bump metallization,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,17,第二步

7、: 回流形成凸点,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,18,第三步：倒装芯片组装,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,19,第四步：底部填充与固化,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,20,不同的倒装芯片焊点,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,21,底部填充与否,有各种不同的倒装芯片互连工艺，但是其结构基本特点都是芯片面朝下，而连接则使用金属凸点。而最终差别就是使用底部填充与否,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,22,不同的倒装芯片连接方法,焊料焊接 热压焊接 热声焊接 粘胶连接,

8、2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,23,Coffin-Manson 低周疲劳模型,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,24,由此模型可知,更高的焊点高度 更小的晶片 器件与基板的热膨胀系数（Coefficient of Thermal Expansion, CTE）相配 小的工作温度变化范围,要提高可靠性必须要求,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,25,倒装芯片工艺：通过焊料焊接01,焊料沉积在基板焊盘上： 对于细间距连接，焊料通过电镀、焊料溅射或者固体焊料等沉积方法。 很粘的焊剂可通过直接涂覆到基板上或者用芯片凸点浸入的方

9、法来保证粘附。 对于加大的间距（0.4 mm ），可用模板印刷焊膏,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,26,回流焊接： 芯片凸点放置于沉积了焊膏或者焊剂的焊盘上，整个基板浸入再流焊炉。 清洗 ：焊剂残留。 测试：由于固化后不能维修，所以在填充前要进行测试。 底部填充： 通过挤压将低粘度的环氧类物质填充到芯片底部，然后加热固化,倒装芯片工艺：通过焊料焊接 02,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,27,步骤示意图,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,28,底部填充示意图,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,

10、29,倒装芯片工艺通过热压焊接,在热压连接工艺中，芯片的凸点是通过加热、加压的方法连接到基板的焊盘上。该工艺要求芯片或者基板上的凸点为金凸点，同时还要有一个可与凸点连接的表面，如金或铝。对于金凸点，一般连接温度在300 C 左右，这样才能是材料充分软化，同时促进连接过程中的扩散作用,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,30,热压和热声倒装芯片连接原理示意图,热压与热声倒装芯片示意图,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,31,基板金属化,基板上的焊盘必须进行适当地金属化，例如镀金，以便于实现连接。另外，基板应该非常平整,2021/2/3,Prof. W

11、u Fengshun, ,32,凸点,热压倒装芯片连接最合适的凸点材料是金，凸点可以通过传统的电解镀金方法生成，或者采用钉头凸点方法，后者就是引线键合技术中常用的凸点形成工艺。由于可以采用现成的引线键合设备，因此无需配备昂贵的凸点加工设备，金引线中应该加入1% 的Pd ，这样便于卡断凸点上部的引线。凸点形成过程中，晶圆或者基板应该预热到150 200 C,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,33,钉头金凸点SBB（Stud Bond Bump,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,34,钉头金凸点制作,Gold wire,Gold ball,Coini

12、ng (level,Wire breaking,Ball bonding,Gold stud,Gold stud bump,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,35,Coining (level,Flat tail bump,Raised cross bump,Crossed slots bump,Variation,Stacked bump,钉头金凸点制作,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,36,若干问题,在某些情况下，如显示器中的玻璃上芯片(chip-on-glass，COG)，采用焊接连接并不是最合适的选择，而应该考虑采用其它替代方法。大多数

13、不采用焊接的倒装芯片技术中，芯片是采用导电胶或者热压、热声的方法连接到基板上的。这些方法的优点是： 简单，无需使用焊剂 工艺温度低 可以实现细间距连接,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,37,若干问题,对于直径为80mm的凸点， 热压压力可以达到1N。由于压力较大，温度也较高，这种工艺仅适用于刚性基底，如氧化铝或硅。另外，基板必须保证较高的平整度，热压头也要有较高的平行对准精度。为了避免半导体材料受到不必要的损害，施加压力时应该有一定的梯度,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,38,与一般的焊点连接一样，热压倒装芯片连接的可靠性也要受到基板与芯片的

14、热膨胀系数(CTE)失配的影响，此外焊点的高度、焊点之间的最大间距亦会对可靠性造成影响。连接区的裂纹多是在从连接温度冷却下来的过程中产生的,可靠性,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,39,由于金的熔点温度高，因此它对疲劳损伤的敏感程度远小于焊料。因此，如果在热循环中应力没有超过凸点与焊盘之间的连接强度，那么可靠性不会存在太大问题。 芯片与基底之间的底部填充材料使连接抵抗热疲劳的性能显著提高，如果没有底部填充，则热疲劳将是倒装芯片主要的可靠性问题,可靠性,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,40,倒装芯片的连接头应该能够产生300C 的连接温度， 要

15、有较高的平行对准精度，为了防止半导体材料发生损伤，施加压力时应该保持一定的梯度。在热压倒装芯片连接中，凸点发生变形是不可避免的，这也是形成良好连接所必需的。另外，连接压力和温度应该尽可能低，以免芯片和基板损坏,生产问题,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,41,GaAs器件的热压倒装芯片连接工艺参数曲线,工艺参数曲线,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,42,倒装芯片工艺通过热声焊接,热声倒装芯片连接是将超声波应用在热压连接中，这样可以使得焊接过程更加快速。超声能量是通过一个可伸缩的探头从芯片的背部施加到连接区。超声波的引入使连接材料迅速软化，易于实

16、现塑性变形。热声连接的优点是可以降低连接温度，缩短加工处理的时间。热声倒装芯片连接的缺点是可能在硅片上形成小的凹坑，这主要是由于超声震动过强造成的,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,43,可靠性,与一般的焊点连接一样，热压倒装芯片连接的可靠性也要受到基板与芯片的热膨胀系数(CTE)失配的影响，此外焊点的高度、焊点之间的最大间距亦会对可靠性造成影响。连接区的裂纹多是在从连接温度冷却下来的过程中产生的。 由于金的熔点温度高，因此它对疲劳损伤的敏感程度远小于焊料。因此，如果在热循环中应力没有超过凸点与焊盘之间的连接强度，那么可靠性不会存在太大问题。 芯片与基底之间的底部填充材

17、料使连接抵抗热疲劳的性能显著提高，如果没有底部填充，则热疲劳将是倒装芯片主要的可靠性问题,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,44,生产问题,热声倒装芯片连接发展迅猛，但是它却是一个高风险的选择。该工艺需要将压力、温度、超声震动、平整性等综合起来考虑，因此整个系统的设计非常复杂,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,45,热声倒装芯片连接的优点,工艺简单 扩大了连接材料的选择范围 降低加工温度、减小压力、缩短时间,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,46,倒装芯片工艺通过粘胶连接,导电胶连接是取代铅锡焊料连接的可行方法，导电胶连接

18、既保持了封装结构的轻薄，成本也没有显著增加。该工艺的优点是： 工艺简单 固化温度低 连接后无需清洗,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,47,各向异性导电胶是膏状或者薄膜状的热塑性环氧树脂，加入了一定含量的金属颗粒或金属涂覆的高分子颗粒。在连接前，导电胶在各个方向上都是绝缘的，但是在连接后它在垂直方向上导电。金属颗粒或高分子颗粒外的金属涂层一般为金或者镍。 各向同性导电胶是一种膏状的高分子树脂，加入了一定含量的导电颗粒，因此在各个方向上都可以导电。通常高分子树脂为环氧树脂，导电颗粒为银,各向同性、各向异性导电胶,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,4

19、8,倒装芯片导电胶连接示意图,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,49,倒装芯片的非导电胶粘接也是可行的，但是到目前为止，这种胶水中的颗粒种类非常有限。从理论上说，非导电胶粘接的可靠性非常高，因为它使连接表面积减小到最低限度，但实际上它的可靠性并不高，而且对某些工艺条件的要求比导电胶连接更加苛刻,比较,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,50,采用导电胶连接的倒装技术要求在焊盘上形成导电凸点，最适宜的凸点材料为金。各向同性导电胶本身也可以作为凸点材料，此时应避免使铝表面的金属化层接触到粘性凸点，因为铝很容易氧化，最终将形成不导电的连接,凸点,2021

20、/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,51,各向同性导电胶形成的凸点的SEM照片,凸点形貌,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,52,与铅锡焊料相比，导电胶(无论是各向同性还是各向异性)都是热的不良导体，但是采用导电胶并不会使元件的热阻增加多少，因为元件内产生的热量仅有少量通过倒装芯片的连接接点传递，主要是受芯片尺寸和基板材料的影响,加热,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,53,总体上说，导电胶的导电性能也比铅锡焊料差，各向同性导电胶倒装芯片连接点的电阻为几毫欧，而电感、电容的数值则没有文献报道过,信号传输,2021/2/3,Prof.

21、 Wu Fengshun, ,54,钉头凸点导电胶连接技术,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,55,倒装芯片失效原因鱼骨图,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,56,第二部分,凸点及其制作,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,57,凸点的制作,UBM 凸点形成,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,58,对UBM的要求01,必须与焊区金属以及圆片钝化层有牢固的结合力： Al是最常见的IC金属化金属，典型的钝化材料为氮化物、氧化物以及聚酰亚胺 。确保钝化层没有针孔是很重要的， 否则就会在UBM的过程中产生破坏

22、IC的隐患. 和焊区金属要有很好的欧姆接触：所以在沉积UBM之前要通过溅射或者化学刻蚀的方法去除焊区表面的Al氧化物,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,59,对 UBM的要求02,要有焊料扩散阻挡层：必须在焊料与焊盘焊区金属之间提供一个扩散阻挡层 要有一个可以润湿焊料的表面：最后一层要直接与凸点接触，必须润湿凸点焊料,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,60,氧化阻挡层：为保证很好的可焊性，要防止UBM在凸点的形成过程中氧化。 对硅片产生较小的应力： UBM结构不能在底部与硅片产生很大的应力，否则会导致底部的开裂以及.硅片的凹陷等可靠性失效,对 U

23、BM的要求03,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,61,UBM 结构示意图,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,62,UBM 结构01,UBM 一般由三层薄膜组成 : 1、粘附以及扩散阻挡层： 使用的典型金属有：Cr 、Ti、 Ti/W 、Ni、Al、Cu、 Pd 和Mo。 典型厚度：0.15-0.2 mm,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,63,UBM结构02,2 焊料润湿层： 典型金属: Cu、Ni、 Pd。 典型厚度:1-5 mm。 3 氧化阻挡层： 典型金属：Au。 典型厚度：0.05-0.1 mm,2021/2/3

24、,Prof. Wu Fengshun, ,64,UBM的层次组合01,这些薄膜层的组合出现了很多的UBM结构，例如：Ti/Cu/Au、Ti/Cu、Ti/Cu/Ni、TiW/Cu/Au、Cr/Cu/Au、Ni/Au、 Ti/Ni/Pd、 以及 Mo/Pd. 其结构对本身的可靠性影响很大，据报道Ti/Cu/Ni (化学镀 Ni) 的UBM 比 Ti/Cu 的粘附结合力要强。 UBM的结构也影响它与焊区金属、它与凸点之间的可靠性,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,65,UBM 的层次组合02,为了保证可靠的互连，UBM必须与用于凸点的焊料合金相容。适合高铅的UBM不一定适合高

25、锡焊料。例如Cu润湿层合适于含锡35的高铅焊料，但是不适合于高锡焊料，因为 Cu与Sn反应迅速而生成Sn-Cu金属间化合物。如果Cu被消耗完毕，焊料将与焊区不润湿,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,66,层次组合特点,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,67,UBM的沉积方法,溅射：用溅射的方法一层一层地在硅片上沉积薄膜，然后通过照相平版技术形成UBM图样，然后刻蚀掉不是图样的部分。 蒸镀： 利用掩模，通过蒸镀的方法在硅片上一层一层地沉积。. 这种选择性的沉积用的掩模可用于对应的凸点的形成之中。 化学镀:采用化学镀的方法在Al焊盘上选择性地镀Ni。

26、常常用锌酸盐工艺对Al表面进行处理。无需真空及图样刻蚀设备，低成本,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,68,常见的UBM方法,UBM形成方法化学镀镍方法,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,69,化学镀镍,化学镀镍用作UBM的沉积，金属镍起到连接/扩散阻挡的作用，同时也是焊料可以润湿的表面。镍的扩散率非常小，与焊料也几乎不发生反应，它仅与锡有缓慢的反应，因此非常适合作为共晶焊料的UBM金属。 化学镀镍既可以用于UBM金属的沉积，也可以用来形成凸点,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,70,化学镀镍特点01,无定形化学镀镍层中没

27、有晶界，无法形成扩散的通道，所以是一层良好的扩散阻挡层。 镍UBM的厚度一般为1-15 mm ， 而5 mm厚的镍UBM就能使焊料凸点的可靠性明显提高,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,71,化学镀镍特点02,镀镍之后，还要在镍上镀一层厚度为0.05-0.1 mm 的金，它主要是防止镍发生氧化，以保持它的可焊性。 采用化学镀镍的方法形成凸点时，通常镍凸点要与导电胶（各向同性或者各向异性均可）一起使用,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,72,铝焊盘上化学镀镍前处理,由于铝焊盘表面有一层氧化物，镀层金属无法粘附在这样的表面上，因此要对铝表面进行适当的

28、处理以清除氧化物层。 最一般的方法是在铝焊盘上锌酸盐处理(zincation) ，还有：镀钯活化 (palladium activation) 、镍置换(nickel displacement) 、直接镀镍等,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,73,锌酸盐处理(Zincation,该技术是在铝的表面沉积一层锌，以防止铝发生氧化，该技术的反应原理如下,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,74,锌酸盐处理步骤,清洗：清理铝表面的轻度污染，通常采用碱性清洗剂。 腐蚀：清除铝表面的微小氧化物颗粒，一般采用稀释的酸性腐蚀液，如硫酸、硝酸、硝酸氢氟酸混合液等。

29、 镀锌：将铝浸入锌槽中，该槽内盛有强碱性溶液，成份包括：Zn(OH)2, NaOH, Fe, Cu, Ni等，最终锌便在铝表面形成,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,75,为了使随后的镀镍层光洁而均匀，锌层应该薄而均匀。 第一轮镀锡往往形成一层粗糙的锌层，其颗粒尺寸从3-4 mm到小于1 mm不等，这样的表面使随后的镀镍层也非常粗糙,第一轮镀锌,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,76,第一轮粗糙的表面,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,77,导致不均匀、粗糙的镀镍结果,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun,

30、 ,78,第二轮镀锌,上述问题可以通过二次镀锌来解决，在该过程中，前次形成的锌层被稀释的硝酸腐蚀掉，然后再进行第二轮镀锌，这样的处理就能使镀锌层薄而均匀。下面是再次镀锌的Al焊盘,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,79,镀锌工艺的一个缺点就是铝也会被镀液腐蚀掉，二次镀锌工艺中尤其严重， 0.3-0.4 mm 厚的铝将被腐蚀掉。因此，在该工艺中，铝的厚度至少应该大于1 mm 。 在镀锌过程中，锌沉积在铝表面，而同时铝及氧化铝层则被腐蚀掉。锌保护铝不再发生氧化，锌层的厚度很薄，而且取决于镀液的成份、浴槽的状况、温度、时间、铝的合金状态等因素,锌酸盐处理步骤,2021/2/3

31、,Prof. Wu Fengshun, ,80,镀镍：镀锌之后，铝被浸入镀液中进行化学镀镍，这种镀液为硫酸镍的酸性溶液，成份还包括次磷酸钠或者氢化硼作为还原剂，反应原理见下式,镀镍,镀镍之前，晶圆的背面必须覆上阻挡层。镍能够在硅的表面生长，则那些未经钝化的硅表面也会有镍形成，但是这种连接非常不牢固，很容易脱落，从而在细间距电路中引起短路,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,81,其它铝焊盘处理技术01,钯活化工艺： 该工艺是在铝上镀一层钯。首先，铝经过清洗和腐蚀去除表面氧化物，该过程与镀锡工艺中的一样。然后，铝被浸入钯溶液中，钯有选择地沉积在铝表面。之后，铝再被浸入化学镀

32、镍的溶液中进行化学镀,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,82,其它铝焊盘处理技术02,镍置换工艺： 镍置换工艺是指用置换镀槽中的镍离子置换铝，从而实现对铝表面的预处理。该工艺首先也是要对铝表面进行清洗和腐蚀，然后将铝浸入置换镀槽中，之后再浸入化学镀槽中镀镍,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,83,其它铝焊盘处理技术03,直接镀镍工艺： 在该工艺中，采用活性剂来清除经过清洗和腐蚀的铝的表面氧化物，之后立即将铝直接浸入镀槽中镀镍,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,84,凸点技术01,凸点常用的材料是Pb/Sn合金，因为其回流焊

33、特性如自中心作用以及焊料下落等。 自中心作用减小了对芯片贴放的精度要求。 下落特点减小了共面性差的问题。 95Pb/5Sn或者 97Pb/3Sn的回流焊温度较高：330-350C,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,85,凸点技术02,根据芯片的其它部分、有机基板等的工作温度要求，开发出了高锡焊料，如 37Pb/63Sn的回流温度为200C 左右,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,86,焊料凸点方法,将简介讨论7中常见的凸点形成办法: 蒸镀焊料凸点, 电镀焊料凸点, 印刷焊料凸点, 钉头焊料凸点 放球凸点 焊料转移凸,2021/2/3,Prof.

34、Wu Fengshun, ,87,1、蒸镀凸点,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,88,蒸镀凸点步骤示意图,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,89,步骤01,1、现场对硅片溅射清洗（a）：在沉积金属前去除氧化物或者照相掩模。同时使得硅片钝化层以及焊盘表面粗糙以提高对UBM的结合力。 2、金属掩模：常常用带图样的钼金属掩模来覆盖硅片以利于UBM以及凸点金属的沉积。 金属掩模组件一般由背板、弹簧、金属模板以及夹子等构成。 硅片被夹在背板与金属模板 之间，然后通过手动对位. 对位公差可控制在25 mm,2021/2/3,Prof. Wu Fengshu

35、n, ,90,步骤02,3、UBM蒸镀（b）：然后按顺序蒸镀Cr层、CrCu层、Cu层以及Au层。 4 焊料蒸镀（c）： 在UBM表面蒸镀一层 97Pb/Sn 或者95Pb/Sn. 厚度约为 100-125 mm 。形成一个圆锥台形状,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,91,步骤03,注意图（e）中顶部的额外的锡层， 这是 Motorola采用的“蒸镀、额外共晶”，缩写为 “E3”。 这层薄薄的盖子允许器件连接到有机板上而不用在施加共晶焊料。这是因为高铅焊料在 300C回流，而不适合于有机基板。于是焊接时可只回流上面的锡铅共晶，而不将凸点熔化。 5、凸点成球（d）： 在

36、C4工艺中，凸点回流成球状,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,92,2、电镀凸点,电镀是一个比较流行的工艺，其设备成本低、设施占地少，有很多的电镀工艺可以采用。传统的电镀沿用蒸镀使用的 Cr/Cr-Cu/Cu结构的UBM和使用高铅合金。 如果采用高锡合金，Sn会很快消耗Cu而破坏结构的完整性。于是为了沉积共晶焊料，往往在UBM的结构中， Ti/W作为结合层，其上有一层Cu的润湿层。而且润湿铜层要厚。 这种较厚的铜层称为“微球”或者“图钉帽”。使用这种结构公司有：德州仪器、摩托罗拉、国家半导体、冲电气（OKI）等公司,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun,

37、 ,93,电镀凸点横截面示意图,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,94,电镀凸点步骤示意图,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,95,步骤01,1、硅片清洗：方法和目的与蒸镀中清洗相同。 2、UBM沉积：典型的UBM材料层为： TiWCuAu ，溅射到整个硅片上。理论上讲， UBM 层提供了一个平均得电流分布以利于一致的电镀。图(a)是硅片覆盖了TiW的情形，为了形成微球或者图钉帽结构，施加掩模（b），沉积一定高度的Cu和Au（c）， 一般凸点总体高度为85 mm to 100 mm时候，微球高度为10 mm到25 mm,2021/2/3,Prof

38、. Wu Fengshun, ,96,步骤02,3、焊料的电镀： 再次施加掩模，以电镀凸点（d） 。 当凸点形成之后，掩模被剥离（e）。 暴露在外的UBM在一到两天内刻蚀掉。 4、回流成球：回流后利于凸点在UBM去除时候不被破坏见图（f）,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,97,Electroplating Solder Bumping Process电镀焊球凸点工艺,Process Flow of Electroplating Solder Bump 电镀焊球凸点工艺流程,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,98,Electroplating S

39、older Bumping Process电镀凸点制备工艺,Peripheral array solder bumps 周边分布凸点,Area array solder bumps 面分布凸点,The peak temperature of reflow process回流焊峰值温度： 220 C. The effective bump pitch for peripheral array周边分布有效凸点间距： 125 m,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,99,Process Specification工艺参数,Photoresist Thickness 光刻胶厚度:

40、 40100 m Bump Material凸点材料: 63Sn/37Pb Bump height 凸点高度: 75140 m UBM layer凸点下金属层: Ti/W-Cu, Cr-Cu Min. effective pitch of bump 最小有效凸点间距 : 125 m I/O array输入/输出分布: peripheral array周边分布 and area array面分布,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,100,Flip Chip on Low-Cost Substrate Samples,Samples with Different Dimen

41、sions PCB上不同尺寸倒装焊样品,Flip Chip on Flexible substrate在软质底板上倒装焊,Direct chip attach on low-cost PCB, flexible substrate 已完成在低成本PCB和软质底板上倒装焊工艺的研究 MCM-L technology 多芯片组装技术,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,101,3、焊膏印刷凸点,Delco 电子（DE） 、倒装芯片技术公司（FCT）、朗讯等公司广泛常用焊膏印刷成凸点的方法。 目前各种焊膏印刷技术可达到250 mm的细间距。 下面简介DE/FCT的基本工艺,St

42、encil Printing Bumping Flip Chip Technology丝网印刷凸点倒装焊技术,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,102,焊膏印刷凸点横截面示意图,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,103,焊膏印刷凸点的步骤示意图,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,104,步骤,1、清洗：方法与目的与蒸镀相同。 2、UBM沉积图（a） ：溅射Al、Ni、Cu三层。 3、图形刻蚀成型：在UBM上施用一定图样的掩模，刻蚀掉掩模以外的UBM（b），然后去除掩模，露出未UBM（c）。 4、焊膏印刷以及回流：见图（d）

43、（e,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,105,Electroless UBM and Stencil Printing化学镀UBM和丝网印刷工艺,The most potential low cost flip chip bumping method. 最具前景的低成本倒装焊凸点制备方法 Using electroless Ni/Au as UBM system 用化学镀镍/金作为凸点下金属层 maskless process 无掩膜工艺 Compatible with SMT process 与表面贴装工艺兼容 Flexible for different sold

44、er alloys适用于不同焊料合金,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,106,Stencil Printing Process Flow丝网印刷工艺流程,Process flow of Stencil Printing Process丝网印刷工艺流程 (not to scale,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,107,Stencil Printing Process Flow 丝网印刷工艺流程,Sketch of process flow,Electroless Ni/Au Stud (Cross section)化学镀镍/金,Solder

45、Paste Printing浆料印刷,Reflow回流,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,108,Process Specification 工艺参数,I/O pads with a pitch of 400m are used for testing dice The limitation of this process is the pitch of 150 m. 测试芯片I/O凸点间距：400微米 Thickness of Ni/Au UBM is 56m. Ni/Au UBM厚度：56微米 Different solder alloys are availabl

46、e. Solder alloys from different vender: Kester, Multicore, Alpha Metal, Indium, Different composition: eutectic Pb-Sn, lead free 可应用不同供应商凸点焊料,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,109,Samples by Stencil Printing Bumping丝网印刷凸点工艺样品,Flip Chip on PCB for Testing 在PCB上倒装焊测试样品,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,110,4、钉头

47、焊料凸点,使用标准的导线键合中的方法来形成凸点，Au丝线或者 Pb基的丝线。其过程与导线键合基本相同，唯一的差别就是：球在键合头形成之后就键合到焊盘上，其丝线马上从球顶端截断。 这种方法要求UBM与使用的丝线相容。 然后这种图钉式的凸点通过回流或者整形方法形成一个圆滑的形状，以获得一致的凸点高度。一般地，这种凸点与导电胶或者焊料配合使用以进行组装互连,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,111,钉头凸点形貌,未整形的Au钉头凸点与整形后的凸点,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,112,钉头焊料凸点步骤示意图,2021/2/3,Prof. Wu Fe

48、ngshun, ,113,凸点形貌,Sn/Pb钉头凸点,在 300C回流后与Al焊盘发生去润湿,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,114,5、放球法,PacTech研制一种Solder Ball Bumper。一个植球头单元在放球的同时通过光纤施加激光脉冲进行回流焊,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,115,放球法设备,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,116,6、焊料转送,凸点在载体上形成，然后转送到焊盘上去。载体必须是与焊料不润湿的材料，如硅片、热阻玻璃片等。 首先，通过蒸镀在载体上形成凸点，其图样与芯片焊盘极度的一致

49、。载体图样的形成通过金属模板掩模与抬起工艺来制作,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,117,焊料转送简介,在沉积凸点之前，要沉积大约 1000 A厚度的金薄层。它用来增加焊料与载体的粘附力，以防止焊料从载体上分离，而且增加分离焊料熔化前的润湿时间，使得它有足够的时间来润湿UBM，下一步就是焊料转送。 如果要将凸点转移到硅片上，将载体分割后放在涂了焊剂的硅片上。如果要将凸点 转移到单个芯片上，则将晶片放在途有焊剂的载体上。然后进行回流，凸点与载体不润湿，从而焊接到晶片焊盘上,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,118,焊料传送步骤示意图,2021/2

50、/3,Prof. Wu Fengshun, ,119,若干问题,在凸点材料的选择、焊盘的尺寸设计、焊接材料与基底材料的兼容性等方面要注意以下几个问题,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,120,FR4-基底不能承受太高的回流焊温度，如果凸点采用的是高温焊料(如Pb95/Sn5), 那么在基底上一定要再施加一些低温合金焊料，以实现低温连接。 周边焊盘阵列的最小间距为200 m m，而面阵列焊盘的最小间距可为 250 m m 。 在多数晶片中，焊盘都是采用周边阵列的形式，以方便进行引线键合工艺,若干问题01,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,121,在

51、倒装芯片连接中，采用面阵列焊盘的形式可以增加输入输出I/O数，如果要将周边阵列改为面阵列，则需要改变晶片上电路的结构，然后再进行凸点工艺。 流过焊料凸点的最大电流密度为大约4200 A/cm2 。 典型的凸点高度为125 - 140 m m，这取决于焊盘之间的间距，凸点高度的公差范围为 15 m m,若干问题02,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,122,UBM,基底的金属化层应与凸点中的焊料形成良好的结合。若基板上的焊盘材料为铜，铜上一般还要再镀一层铅锡、锡或者金。采用金作为铜焊盘的金属化层，其厚度要限制在1-2 m m内，以防止产生脆性的金锡金属间化合物。如果金属化

52、层就是裸铜，那么应该采用焊料平整工艺在焊盘上涂覆一薄层熔融焊料，以提高可焊性，同时增加接头中的焊料体积，使接头更具有韧性。但是，每一个焊盘上涂覆的焊料的高度和体积应该尽可能均匀一致,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,123,加热,如果没有底部填充，建议最高连接温度为140 oC 到150 oC 。一个凸点的热阻为1000 - 1500 oC/W，将一个焊料凸点的热阻除以芯片上凸点的个数，就可以粗略估算出倒装芯片中芯片与基底之间的热阻。此外，其他途径也可以改善芯片的散热。例如，可以在芯片上形成一些专门用于散热的凸点(“哑凸点”)，或者采用高热导率的底部填充材料。在一些大功

53、率的封装件中，如微处理器，散热十分重要，此时芯片的背面也可以用于散热,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,124,倒装芯片组装非常适用于高频应用领域，因为在这种组装结构中，芯片与基底之间的连接通路非常短。倒装焊点的串连阻抗为1mW左右，串连电感为0.025 nH，远小于引线键合中的5 10 nH。正是由于倒装芯片组装的这种优点，信号的传输时延可以显著降低,速度,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,125,带有引线键合芯片的PGA封装与带有倒装芯片的BGA封装在电容、电感、电阻、传输时延等方面的性能比较,电性能,2021/2/3,Prof. Wu Fe

54、ngshun, ,126,主要指焊点的热疲劳可靠性。另一个失效就是腐蚀以及原子迁移导致的结构中的电场以及热梯度。 热疲劳主要依赖焊料性能、芯片与基板的热膨胀系数。以及焊点高度、焊点到结构中心的距离、使用温度范围等。底部填充材料可能显著影响焊点的热疲劳可靠性。不同材料的热疲劳性能比较见下表。铟基焊料热疲劳性能好，但是在高湿度下可靠性很差,可靠性,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,127,当不使用底部填充时，热疲劳是焊点可靠性的主要问题。适当地底部填充材料部分阻挡了焊点的热变形，于是疲劳破坏与焊点至结构的中点的距离的关系就不大,其他条件相同条件下不同材料的热疲劳寿命比较,热

55、疲劳,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,128,底部填充材料吸收了一定的应力，在某些情况下回将其本身的变形转嫁给芯片，于是芯片中的应力过大而导致开裂。应力的水平取决于基板材料以及硅晶片的表面质量。焊点随温度的循环的疲劳寿命可以使用有限元分析、经验模型以及计算机软件进行模拟。对于苛刻的使用要求，建议采用加速测试,疲劳寿命,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,129,在固化底部填充材料前，要对已经焊接的芯片进行测试。一旦固化，出去失效的芯片就很困难。最好在芯片焊接将就进行测试，以确保芯片是真正好的芯片（KGD, Known-Good Die），以减少返

56、修的可能。 对于真正好的芯片，仍然有很多设备和技术问题。传统的IC一般进行全面的测试，然后包封起来，因为其最终的测试可以很容易地进行,测试01,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,130,对于KGD，有两种基本的测试以及强化途径： （1）在圆片级 (2)在单个芯片级。 由于功率分布、冷却以及圆片接触的问题，在高频和包封状态下进行圆片级的测试有很大的技术难度。而对于单个芯片的高频以及强化测试，要使用测试插座、探针卡等，会破坏芯片的焊盘，且限制了高频并且增加了成本。 目前强化测试、边界扫描测试等的研究比较活跃,测试02,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun,

57、,131,对于生产KGD，出现了将KGD组装到临时载体上使之成为临时单芯片而进行强化等传统测试，以提高质量和可靠性。这种情况下，晶片被安装到与单芯片相同的单芯片封装中，在焊盘间进行临时电气连接，然后进行传统的测试。当测试完之后，晶片就取出来,测试03,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,132,一般的倒装芯片组装是通过焊料将凸点焊接到电路板上。对于细间距应用， 焊料可在焊盘上施加较粘的焊剂，施用方法有浸渍芯片或者将焊剂直接涂覆到基板上的办法。对于间距大于0.4 mm，可通过焊膏印刷的办法。 然后将芯片放在涂覆了焊剂或者焊膏的焊盘上，进行回流，最后清洗,生产过程,2021/

58、2/3,Prof. Wu Fengshun, ,133,然后滴注底部填充材料，加热固化。 与传统的SMD组装比，倒装芯片组装需要一些额外的工具与步骤，如：芯片转载单元、焊剂涂覆单元、浸渍步骤或者焊剂槽以及底部填充与固化设备,生产过程,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,134,底部填充,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,135,底部填充的作用,Si的CET：2.8ppm/ oC、FR4的为15.8ppm/ oC，在功率循环与热循环工作中，CET失配导致焊点热应力，而发生疲劳失效。 底部填充材料将集中的应力分散到芯片的塑封材料中去。 还可阻止焊料蠕变

59、，并增加倒装芯片连接的强度与刚度。 保护芯片免受环境的影响（湿气、离子污染等） 使得芯片耐受机械振动与冲击,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,136,填充材料的要求,不适宜使用一般用于包封芯片的环氧树脂，因为这类环氧树脂及其添加料的 放射高，粘滞性高，填料粒子尺寸大于倒装芯片与基板间的间隙。则填料的要复合以下要求： 无挥发性。否则会导致芯片底部产生间隙。 尽可能减小应力失配。填料与凸点连接处的Z方向CTE要匹配。 固化温度要低。防止PCB热变形。 较高的玻璃转化温度。以保证耐热循环冲击的可靠性,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,137,填充材料的

60、要求,填料粒子尺寸要小。 在填充温度下流动性要好。 具有较高的弹性模量以及弯曲强度。使得互连应力小。 高温高湿下，绝缘电阻要高。即要求杂质离子（Cl，Na、K）等数量要低。 对于存储器等敏感元件，填料低的 放射至关重要,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun, ,138,填充方式,1、芯片焊接后填充 环氧物质中掺有陶瓷填料以提高导热率并改善CET。 需要一个阻挡装置，以防止填充材料到处溢流。 2、芯片焊接前填充： 非流动填充，由乔治亚理工大学C.P. Wong等人首先提出。 填充材料发挥焊剂与填充功能，焊接、填充与固化一步完成,2021/2/3,Prof. Wu Fengshun