异质集成技术 1

第四章倒装焊技术一、倒装焊封装概述二、倒装芯片的互连结构三、凸点下金属化层四、凸点五、倒装键合工艺六、底部填充工艺七、积层有机基板一、倒装焊封装概述倒装焊倒装焊（Flip-ChipBonding）是一种先进封装技术，指通过芯片上的凸点直接将元器件面朝下互连到基板（或衬底/电路板）上的。“倒装”主要是相对引线键合而言的。倒装焊封装的关键工艺是Bumping一、倒装焊技术倒装焊可避免引线键合中的引线断裂、弯曲、错位等问题,环氧填充确保可靠性及耐久性通过焊点直接接触，减少了信号传输时的电阻电感，降低信号延迟倒装芯片面阵列凸点能够提供更多的I/O管脚，实现更高传输速度和更低延迟时间倒装芯片背面可进行有效的冷却。也可以通过合适的凸点降低热阻芯片之间的连接通过焊点直接接触，减少了封装面积和体积。倒装焊背景和历史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凸点包围着电镀NiAu的铜球。1969年，IBM发明了可控塌焊芯片连接（C4）技术，使用PbSn凸点。这就是最早的实用FC,C4技术最初是IBM为自己的大型计算机主机所开发的一种高可靠的封装技术。C4芯片具有优良的电学、热学性能，封装疲劳寿命至少提高10倍以上。1960年，IBM发明固态工艺凸点技术图IBM的固态工艺凸点制作方法及其结构倒装焊背景和历史30年来，IBM生产了100亿件以上的C4产品，MTBF超过了10万小时，该技术采用了高铅的Pb/Sn焊料制作凸点，如今又称焊料凸点FC。C4作为IBM的专利，一开始是用于高端领域，局限于采用陶瓷衬底和高铅焊料，因此在业界并没有得到大范围推广。1992年，IBM日本公司Y.Tsukada发表文章，提出如果在倒装芯片底部填充下填料，那么带凸点芯片可直接安装在有机印制电路板上，促进倒装技术用于消费类电子产品。随着新技术的出现，90年代后FC技术才真正被广泛采纳，形式各异的FC产品也陆续登场。90年代中期（95~98），Intel量产化倒装芯片互连的结构倒装芯片（FlipChip）的互连结构是其关键技术之一，该结构能够实现芯片与封装基板或电路板之间的高密度、高性能电气连接和机械固定二、倒装芯片互连的结构成品举例倒装焊工艺流程基板准备凸点制备Bumping倒装键合Flip-ChipBonding底部填充Underfill凸点下金属化UBM已测试Si片…凸点下金属化（UBM）三、凸点下金属化层SiliconwaferUBM-UnderBumpMetalSolderBumpFinalMetalPadDiePassivation通过多层的金属结构提供了可靠的焊接界面、有效的扩散阻挡和良好的电气性能，确保了倒装芯片的信号完整性、牢固的机械连接和高效的热传导传统封装主要是指先将晶圆切割成单个芯片再进行封装的工艺，利用引线框架作为载体，采用引线键合互连的形式进行封装，主要包括DIP、SOP、SOT、TO、QFP等封装形式。UBM的要求UBM必须与A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。和焊区金属要有很好的欧姆接触要有焊料AAAA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。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：否则会导致底部的开裂以及硅片的凹陷等可靠性失效。UBM结构UBM一般由三层薄膜组成: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：0.05-0.2mm.焊料润湿层：典型金属:Cu、Ni、Pd。典型厚度:0.05-0.1mm。氧化阻挡层：典型金属：Au。典型厚度：0.05-0.1mm。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。UBM层次组合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，然后通过光刻技术形成UBM图样，并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。化学镀:采用化学镀的方法在Al焊盘上选择性地镀Ni。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。电镀：电镀能以较低成本得到较厚的金属化层，同时，UBM和凸点可以依次电镀。但是，电镀前需要蒸发或者溅射一层种金层，保证电流能够传递到需要电镀的位置，同时需要光刻对需要电镀的位置进行设置，电镀完成后需要去掉种金层。UBM的沉积方法溅射(sputtering)+腐蚀（etching）2.SputterUnderBumpMetal金属层溅射3.CoatwithPR覆盖光胶4.PatternforUBMetching光刻1.WaferwithAlpad钝化和金属化晶片ChipPassivationAlcontactpadChipUBMChipThickphotoresistfilm5.UBM腐蚀ChipChip6.去光刻胶ChipUBM的沉积方法蒸发(Evaporation)+剥离（lift-off）UBM的沉积方法化学镀（a）清洁

（b）闪镀锌处理（c）化镀镍

（d）化镀金化学镀成本相对较低，但稳定性较差，对工艺管控要求较高。UBM的沉积方法UBM技术凸点兼容性工艺成本结构溅射法兼容共晶63Sn/Pb和无铅Cu/Sb/Ag/Sn结合印刷焊料凸点技术，与电镀具有竞争力组装稳固，在回流过程中几乎提供“塌陷”凸点。蒸镀法高铅97Pb/Sn或95Pb/Sn昂贵—涉及光刻工艺在回流过程中完全“塌陷”。对准精度好。电镀法高铅和共晶SnPb(63Sn/Pb)通常比蒸镀晶圆凸点便宜脆性的Cu/Sn金属间化合物和UBM的不润湿表面。化学镀兼容高铅(90Pb/Sn)、共晶(63Sn/Pb)和无铅(95.5Sn/3.8Ag/0.7Cu)成本较低，因为消除了光刻工艺。该工艺是并行的，并可扩展到更大的晶圆尺寸。UBM仅附着在焊盘上而不是钝化层上。腐蚀可能成为问题。不同UBM制备工艺的对比基板与基板金属化层倒装芯片器件通常采用小节距、高密度的基板。倒装的基板材料可以是陶瓷基板、刚性有机基板、柔性基板，也可以是专门用于互连的硅片或者另外一片芯片。基板材料上的金属化层与芯片上的凸点下金属化层类似。与硅或芯片不同的是，陶瓷基板、刚性有机基板和柔性基板上的布线层主要是铜。焊料互连体系在铜表面较多采用进一步化学镀Ni/Au、Ni/Pd/Au等多层金属结构，也有采用涂敷有机表面防护剂的铜表面。金-金互连（GoldtoGoldInterconnection,GGI）多采用一定厚度的金作为表面金属。凸点的功能四、凸点倒装芯片键合中凸点有三种功能：①芯片和基板之间的电连接；②散热通道；③芯片与基板之间的机械支撑，能承受一定强度的机械应力凸点材料根据其材质主要包括：焊料凸点Pb/Sn焊料凸点无铅焊料凸点金凸点铜凸点铜柱凸点其他新型凸点凸点的类型四、凸点凸点技术的发展四、凸点（1）Pb/Sn合金焊料凸点：凸点过去常用的材料是Pb/Sn合金，因为其回流焊特性如自对齐作用以及焊料下落等。自对齐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。（2）无铅焊料凸点：现在主要采用SnAg（Cu）等无铅焊料。背景：环保的要求凸点（3）Au凸点问题：焊料凸点互连的导电和导热性能都很差，无铅焊料更差。金比焊料的优势：金电导率高一个数量级，其热导率也显著增加。电阻率铅(及其合金)是22μΩ·cm，金2.19μΩ·cm。金凸点互连比焊料凸点倒装芯片制作流程短，清洁无污染。对光电子器件封装如图像传感器、光探测器和固态激光器等很重要。回流过程可能影响光电器件电性，传统焊料凸点倒装芯片互连工艺中所使用的助焊剂会沾污这些光学器件的表面，从而大大降低了它们的性能和可靠性。在金衬底上采用金凸点减小了热膨胀系数(CTE)不匹配的问题，而这一问题在焊料凸点材料和衬底材料不同时比较显著。凸点（4）铜凸点电镀铜凸点【解决问题：Au凸点成本很高】（5）铜柱凸点铜柱凸点（铜柱锡帽）比焊料凸点的优势：电导率高（但不如金）。铜柱大大缩小了芯片的节距，提高了I/O数，避免了相邻焊球间短接的现象。铜柱的固有高度保证了芯片和基板之间的距离，有利于用底部填充工艺缓解不同材料之间的热失配应力问题得益于铜柱优良的电/热特性，采用铜柱凸点技术的封装产品具有更好的散热特性和抗电迁移能凸点焊料凸点的制备工艺植球法电镀蒸镀丝网印刷掩模蒸发C4焊料凸点的电镀工艺ChipPRopening2.SputterUnderBumpMetal金属层溅射3.CoatwithPR覆盖光胶4.Patternforbump凸点光刻6.RemoveResist去除光胶1.WaferwithAlpad钝化和金属化晶片ChipPassivationAlcontactpadChipUBMChipThickphotoresistfilmElectroplatedAubumpChip5.ElectroplatingCuandSn/Pb焊料电镀Chip7.StripUnderBumpMetal去除UBMChip8.Annealing

Chip电镀Au凸点（Cu凸点）制备铜柱通过在底部的铜种子层上进行电镀，并使用光刻胶定义柱的直径。在柱与焊帽之间加入镍扩散屏障，以限制铜锡金属间化合物层的形成或防止微孔的产生铜柱凸点制备工艺铜柱凸点制备工艺铜柱凸点的结构示意图CNT凸点：1.极好的导热、导电2.尺寸可做到非常小3.甚至可以用范德华力常温键合其他新材料凸点五、倒装键合工艺倒装键合倒装键合（FlipChipBonding）工艺是将芯片表面上凸点与基板上的焊盘进行电气和机械连接的过程回流焊接（ReflowSoldering）热压键合热超声倒装焊接导电胶连接常用倒装键合工艺用于焊料凸点或铜柱凸点与基板之间键合的最常用方法。通过回流熔化焊料，使焊料中的锡及其它成分发生冶金反应，形成适量的金属间化合物，从而在基板上建立焊料接头，实现芯片凸点与基板的键合。回流焊接过程需要设置热曲线，将温度升高到焊料凸点和基板上预先存在的焊料的熔点以上。回流焊接工艺典型的回流曲线热压键合工艺将芯片凸点与基板焊盘进行连接的另一种键合技术，主要应用于铜柱凸点、铜凸点和金凸点的键合。热压键合的原理为通过键合头固定芯片的位置，在极短时间内加热芯片，并施加压力，使芯片上的金属凸点与基板上的金属焊盘产生塑性变形和相互扩散，形成稳定的键合界面，形成机械和电气连接，迅速完成单个芯片的焊接

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。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可用于Au-Au互联（GGI）热超声倒装焊接导电胶连接是取代铅锡焊料连接的可行方法，导电胶连接既保持了封装结构的轻薄，成本也没有显著增加。优点：工艺简单\固化温度低\连接后无需清洗缺点：导电胶的导电性能比铅锡焊料差；导电胶是热的不良导体，采用导电胶会使元件的热阻增加。导电胶连接ACA各向异性导电胶（AnisotropicConductiveAdhesive）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。ICA各向同性导电胶（IsotropicConductiveAdhesive）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。六、底部填充工艺倒装芯片封装面临的主要挑战是由凸点、芯片和有机基板之间的热膨胀系数（CTE）不匹配引起的热机械应力积累。在电子设备的持续使用过程中，焊点不断经历热循环，这可能最终导致疲劳或电气故障。通过底部填充（Underfill）工艺可以有效解决CTE不匹配问题。因此，底部填充是倒装芯片封装过程中至关重要的一步。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，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。极大改善焊点的热疲劳可靠性。底部填充的作用毛细作用底部填充（CapillaryUnderfill,CUF）非流动底部填充（No-flowUnderfill,NCF）模塑底部填充(MoldedUnderfill,MUF)晶圆级底部填充（WaferlevelUnderfill）底部填充工艺与材料（1）CUF工艺工艺方法：用针管将液态的底部填充料沿芯片单边涂布或者芯片双边L形涂布，由于毛细现象，填充液体会渗透到整个芯片底部。涂布后在一定温度下使填充胶固化，即完成了底部填充工艺。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。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。填充量：不足导致晶片开裂、过多会溢流到芯片底部以外。填充量取决于填充空间的准确计算以及填充工具的精度。填充温度：预热、加热以及填充后的加热对其流动性有很大的影响。填充方法：从一边填充会导致流动时间长，从两边填充会导致内部产生气孔CUF填料要求填充过程的关键因素（3）MUF工艺工艺