先进封装技术在倒装芯片中的应用

先进封装技术在倒装芯片中的应用

随着国家安全面临的担忧，与信息安全相关的芯片行业已达到国家战略水平，电路制造的产品化率迫切需要提高，芯片制造的巨大趋势无法逆转。国家将投入巨资支持集成电路产业的发展,据报道1200亿元国家级芯片产业扶持基金有望于近期宣布成立,集成电路芯片的设备、设计、制造、封装企业均有望迎来高速发展,缩小和发达国家在芯片产业资金投入的差距。各地IC政策近期也在密集出台,2013年12月工信部曾发布公告称,将成立北京市集成电路产业发展股权投资基金,招募300亿元集成电路产业扶持基金。半导体产业发展一直都遵循摩尔定律,由于技术的复杂性及成本迅速上升,摩尔定律的步伐开始变缓。随着摩尔定律接近极限,传统缩小芯片尺寸之途愈来愈难以为继。摩尔定律虽接近极限,但仍在推动工艺制程提升,业界专家预计工艺制程将发展到7~5nm。当前国际先进工艺2014年将试产14nm,而国内28nm工艺还处于试生产阶段。3D集成将延长摩尔定律的生命力,3D封装是3D集成的基础。系统级封装(3D封装)为集成电路产业带来了新的机遇,整个半导体产业正在跨越设备、制程、设计端并加以整合的技术类别思考适合的解决方案。1倒装芯片技术1.1封装技术发展方向互连技术是微电子封装中的关键技术之一,可分为外引线连接和内引线连接。外引线连接是指经封装后的芯片或者独立器件与印刷电路板(PCB)焊盘间的连接。内引线连接指芯片互连技术,主要用于微电子器件中芯片间或芯片与引线框架间的互连,也称芯片微互连。芯片互连技术是影响微电子封装产品质量、效率和成本的核心技术,主要包括引线键合(Wirebonding)、载带自动焊(Bapeautomatedbonding)和倒装芯片键合(Flipchipbonding)三种技术。倒装芯片封装是一种先进的芯片互连技术,已成为高密度封装技术的主要发展方向。具有高密度、高性能和轻薄短小的特点,满足智能手机和平板电脑等消费电子产品的发展要求。倒装芯片工艺使得封装成本更低,且能够实现堆叠芯片和三维封装工艺,是芯片互连技术的发展趋势。随着集成电路的发展,封装内部连接方式呈现出引线向焊球和硅片无焊球连接等非引线方式以缩短电气连接路径并缩小封装尺寸的总趋势,如图1所示。最终,凸点将无法满足芯片要求的密度和性能。最尖端的器件将不再使用凸点而直接进行铜与铜的连接。但该技术还处于研究阶段,实际用于生产要等到2018年以后。基于硅通孔(TSV)技术有两种叠层封装,一种是垂直堆叠的3D封装,另一种是互联堆叠的2.5D封装,如图2所示。3D封装指硅通孔技术以垂直短线方式取代传统的芯片互连线方法,在尺寸更小的产品内实现更高的集成度和性能;2.5D封装则指通过堆叠硅片互联技术,将多个不同的芯片在无源硅转基板(Interposer)上并排互联,结合TSV技术与微凸块工艺,构建了大容量的IC器件。3D封装首先完成晶圆薄化,以硅穿孔制程凿穿晶圆进行堆叠,然后进行高阶覆晶封装,让铜柱(CopperPillar)、晶圆锡球(Bump)在更小的晶圆开孔中接合,目前面临着热膨胀、薄晶圆可靠性、应力和低介电材料损坏等问题。而2.5D封装采用低延时芯片互连并连接至球形栅格阵列,避免了垂直硅片堆叠方法出现的散热问题,且硅转基板起到了缓冲作用,降低了低介电电介质应力,提升了C4凸块的可靠性,是能在短期内实现量产的叠层封装形式。1.2优化产品配方倒装芯片互连方式主要包括热超声(ThermalUltrasonic)、回流焊(C4)和热压(Thermalcompression)三种键合工艺,分别对应金球凸点(Studbump)、锡球凸点和铜柱凸点三种凸点制作工艺。智能电话及平板电脑继续成为市场最重要的增长驱动力,同时汽车电子的需求亦稳步上升。便携式消费装置日益普及,推动对数据中心、云端运算及网络基建的需求,以满足对存取流动数据的需求。除了移动产品用处理器和内存外,其他CMOS半导体也需要在比现在更小的芯片面积上实现更多的I/O个数以及更高的带宽,并采取更好的散热措施。因此,铜柱凸点和微焊点将改变倒装芯片的市场和供应链。300mm倒装晶圆的数量在今后6年内将增加2600万片,达到目前的3倍--4000万片(按300mm晶圆换算)。无铅焊锡也将取代Sn-Pb焊锡实现顺利增长,不过需求到2015年或2016年将见顶。金球凸点和镀金凸点方面的投资和推广将减少。1.2.1微细芯片连通技术热超声倒装键合技术借鉴了热超声引线键合(Wirebond)技术,在芯片焊盘上用超声引线键合的方式植金凸点,将芯片倒置凸点向下方反扣在基板焊盘上,在超声键合力和温度的共同作用下,将带有金凸点的芯片键合到基板焊盘上的一种微电子芯片互连技术。由于热超声倒装芯片工艺能较好地应用成熟的引线键合技术,可兼容大部分传统的装备和技术,且凸点制作技术简单,故在I/O密度较低的芯片中有一定的应用,如智能卡封装,LED封装以及通信领域中的SAWFilter器件。1.2.2陶瓷芯片trolldcollpsechip-collpsechip-coli-collpse回流焊的倒装芯片是目前最主流的工艺方式,采用的焊料凸点工艺称为C4(Controlledcollapsechipconnection),如图3,由IBM于20世纪60年代为将芯片贴到陶瓷基座而开发。采用在芯片上制作锡凸点,将芯片蘸取助焊剂后粘贴在基板上,并通过热回流焊接,工艺过程见图4所示。1.2.3铜柱凸点及其插装片工艺拥有平整侧面、高深宽比的铜柱凸点和尺寸更小的微铜柱凸点与圆形焊锡凸点相比,更能实现小间距,非常适合大型的芯片和I/O个数多(800个以上)的芯片。采用28nm工艺的器件需要比焊锡凸点密度更高的连接方法,尤其是面向移动应用的应用处理器,对小间距凸点(Finepitch)的需求越来越高。DDR4和WideI/O要实现高带宽和多I/O以降低延迟和耗电量,就必须采用小间距。高密度的图像传感器以及需要采取良好散热措施的功率器件,包括3DIC和2.5D转基板(Interposer),都将使用铜柱凸点。但目前热压工艺成本高,测试工艺还不成熟。装片键合方面需要更高的精度以及合理的键合压力和速度。目前实现批量生产的铜柱凸点最小间距是40μm,如图5所示,具有代表性的封装企业有日月光半导体、星科金朋、台积电及三星等。采用热压工艺一般先进行底部填充然后热压的方法来固定裸片,这种方法容易稳定品质,但会造成高成本。采用热压倒装焊技术最大障碍是芯片键合设备的精度,小间距铜柱凸点要求该设备的装片精度达到±3μm以内。热压倒装芯片技术是通过在芯片上制作带锡球的铜柱凸点,将芯片凸点向下反扣在基板焊盘上,采用热压键合的方式,将芯片凸点键合到基板焊盘的方法。2设备现状和未来的芯片连接2.1热超声倒装设备的工作原理由于热超声倒装芯片工艺能较好地应用成熟的引线键合技术,可兼容大部分传统的装备和技术,且凸点制作技术简单,故该工艺在倒装中有一定程度的应用。目前见到的热超声倒装工艺设备的品牌和型号主要有:ASM9212、日本PanasonicFCX501、日本TDK和韩国Roswin等,以PanasonicFCX501为例,简单介绍热超声倒装设备的工作原理,如图6所示。PanasonicFCX501主要由晶片台、工作台、基板预热台、带3头的翻转机构以及键合头等组成,键合头由两个大音圈电机控制压力,翻转机构的3个拾片头呈120°分布,拾片头从晶片台上拾取芯片后交接给键合头,键合头通过上下相机识别基板上键合位后,通过超声波、压力和温度将芯片倒装至基板上。2.2国外芯片倒装设备从2010年以来,国内Flipchip市场已出现爆发式增长,大部分都采用回流焊工艺。国内半导体封测龙头企业江阴长电和南通富士通等都有大规模倒装设备的采购。2014年3月,长电科技与中芯国际组建合资生产Bumping公司,投产后的月产能约为5万片300mm(12英寸)晶圆,这将需要大量的芯片倒装键合设备。国际上前三大倒装设备生产厂商相关信息如表1。下面以BESI公司Datacon8800为例,介绍回流焊倒装设备工作原理,如图7所示。Datacon8800采用双键合头和双翻转头结构,基板定位识别的相机与键合头固定,独立的向上识别相机和自动上下料功能。键合头具有恒定压力控制和旋转调整芯片角度功能,保证达到倒装芯片压力和精度控制要求。2.3lampda热压工艺热压工艺能实现Finepitch凸点和堆叠芯片的倒装连接工艺,是倒装芯片发展未来趋势。德国FineTech公司推出一种手动热压倒装设备FINEPLACERLambda,该系统具有基于固定分光镜的专利视像对位装置,加上卓越的光学处理能力和尖端的照明概念,为客户提供了超微细结构的完美分辨率,以亚微米的精度进行零件贴片和热压焊接。日本Tory公司推出了一种采用热压工艺的全自动芯片倒装设备,设备特点:可实现堆叠芯片工艺;通过移动搜索功能和高刚度支撑结构,具备±2μm高对准精度;利用独特的陶瓷加热器和压力控制方法,程序化设置温度和压力;键合头高度控制技术优化间隙;更换键合头实现多种压力范围控制。各型号设备性能参数见表2,芯片拾取机构见图8。2.4cbopus-100倒装芯片键合设备是一种集机械、电气控制、软件、图像识别、光学、材料以及热学等多学科交叉的高科技产品,研发难度非常大,国内在该领域关键技术研究基础薄。北京中电科电子装备有限公司通过国家科技02专项支持,已成功研制了倒装芯片键合设备。北京中电科公司从2011年开始自主研发了一种C2W(从芯片到晶圆)倒装键合设备Octopus-1000,如图9,该设备在2013年底成功实现了芯片批量试生产。Octopus-1000倒装机能适应ChiptoWafer、ChiptoSubstrate、ChiptoLead/Frame、ChiptoPanel等倒装工艺,且兼容热压工艺,设备性能指标达到国际同类设备先进水平,精度±6μm(3σ),效率达5000个/h,设备在稳定性方面表现良好,并在2014年5月已与国内某先进封装企业签订了销售合同。Octopus-1000倒装机的研发成功,标志着我国在倒装芯片键合设备领域取得了重大突破,在此设备技术基础上北京中电科将研发更多适合市场需求的倒装机,为我国半导体先进封装行业提供动力支持。3封装设备是封装产业的重要力量目前我国封装测试业基本形成了封装设计、封装工艺、封装测试、封装设备和封装材料的产业链,正在进入相对成熟和快速发展时期,我国封装业正