凸點倒裝焊接技術(shù)及可靠性測試

1、凸點芯片倒裝焊接技術(shù)及可靠性測試目錄一、倒裝焊工藝的選擇隨著輕量化、薄型化、小型化、I/O端數(shù)的增加以及功能多樣化的發(fā)展，傳統(tǒng)的封裝技術(shù)已不能滿足高密度的要求。倒裝互連技術(shù)的發(fā)展為高密度封裝帶來了希望。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行有效的冷卻，使電路的可靠性得到提高；倒裝焊技術(shù)中關(guān)鍵工藝有四個，它們分別是UBM制備、凸點制備

2、、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。UBM勺制備多層金屬膜UBM（Under Bump Metallurgy）是在芯片上的Al焊盤與凸焊點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現(xiàn)、互連可靠性更高。UBM必須與Al焊盤及凸焊點間形成良好的歐姆接觸、必須能夠保證凸點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、擴散阻擋層和浸潤層等多層金屬膜組成。UBM在進行焊料回流或焊點退火等高溫處理時，能夠保證凸焊點材料不會穿透UBM而進入下面的Al焊盤中。鋁焊盤上蒸發(fā)/濺射多層金屬，粘附層Cr、

3、擴散層Cu、阻擋層Au凸點的制備倒裝焊（Flip Chip）中的首個凸點制備技術(shù)是IBM公司的C4工藝（Con trolled Collaps ChipsConn ection）。凸點由蒸發(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，凸點制備工藝方法越來越多，當(dāng)前比較常見的方法有1.釘頭法、2.蒸發(fā)/濺射法、3.化學(xué)鍍法、4.模板印刷法、5.電鍍法、6.置球凸點法（SB2- Jet）等。1、 釘頭凸點法：在這幾種方法中，釘頭凸點方法是在焊盤上濺射/蒸鍍上UBMB，使用金/銅絲球 焊機在UBMt點上凸點，凸點會帶有尾絲，所以在點完凸點后還需要去除尾絲。該方法只適合引線數(shù)少、芯片焊

4、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、不合格芯片不需要制作凸點（其他方法制備凸點時，不合格 芯片也是要制備凸點的），成本低廉，但是凸點高度一致性相對較差。2、蒸發(fā)/濺射：該方法制備凸點由于其投資高、凸點制備速率慢等，只限于要求凸點材料純度高、制備的凸點致密度高的，或者制備的凸點材料不能使用電鍍、印刷工藝等時。3、 化學(xué)鍍法：化學(xué)鍍法可以包含焊盤的UBM處理，是采用化學(xué)的方法對芯片鋁壓焊點進行底層處理，然后再化學(xué)鍍凸點。特點是投資少，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，凸點高度受

5、限，鍍層均勻性較差，適用于單芯片、凸點高度要求低的。4、模板印刷法：現(xiàn)在采用的大部分模板印刷法如圖所示，通過涂刷器和模板，將釬料膏涂刷在焊盤上。目前應(yīng)用比較多的情況是焊盤間距在200400um間，對于小間距焊盤，由于模板印刷不能均勻分配釬料體積，應(yīng)用受到一定限制，而本課題中凸點間距1000um是大大超過該方法的最低 限制的，是可以使用該方法的。同時，300 um的球徑也滿足“模板涂刷最大顆粒直徑應(yīng)小于模板孔徑最小值的1/3”這一普遍要求。而且模板印制法工藝簡單成本低，適合制作各種尺寸Pb-Sn和無鉛釬料凸點，可批量生產(chǎn)。使用該方法的關(guān)鍵在于要制作模板及釬料球的均勻性，以及釬料涂膏印制厚度的一致

6、性。打KMJBM k）印研焊昏 2仰點林5、電鍍法：該方法為國際上流行且工藝成熟的凸點制作法。電鍍凸點工藝所需的UBM同樣是采用蒸發(fā)/濺射，但相對UBM要厚許多倍的凸點制備則采用設(shè)備投入少、運行成本低的電鍍工 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。凸點材料主要有焊料凸點、金凸點和銅凸點三種。6、置球凸點法：又稱為SB2-Jet（solder ball bumping jet），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對焊球進行回流焊，一次性完成。該過程首先將加工好的焊料球放在儲存槽中

7、，釬料球經(jīng)毛細(xì)管釋放噴出（該過程時間很短，不會影響球的形狀）。在噴岀時，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，不需焊劑。該方法簡單快捷、生產(chǎn)效率高、可靈活應(yīng)用，但投資成本也較10系統(tǒng)用7、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，然后再進行轉(zhuǎn)移。如果其中載體上 有焊料坑，可以通過壓力

8、把焊料注入到坑中。該方法設(shè)備投入少，生產(chǎn)效率高。針對本課題的錫銀銅無鉛焊球，選用模板印刷比較合適，焊球球徑可以通過模板的孔徑和高度調(diào) 控施加焊料的多少，在后續(xù)回流的過程中熔成相應(yīng)球徑。（助焊劑？）焊接方法熔焊（哪種回流焊設(shè)備，整體加熱Or局部？）、熱壓、熱壓超聲適用于本課題的倒裝焊接技術(shù)主要有熔焊、熱壓焊、熱聲焊4.1熔焊焊料可以是基板焊盤上的、芯片凸點端上的或者是焊球來充當(dāng)。基板上的焊料可以刷焊膏再回流形成，也可以是電鍍、濺射/蒸發(fā)獲得；銅凸點、高溫焊料凸點上的焊料通常是電鍍上去的。倒 裝凸點密度比較大的，則主要采用電鍍、濺射/蒸發(fā)工藝方法制備； 而密度?。ㄈ玳g距0.4mm）、 數(shù)量少的，則

9、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，這樣制造的性價比最優(yōu)，必要時需要清洗掉殘留的焊劑，方可確保底部填充質(zhì)量。真空再流焊。助焊劑？4.2熱壓焊接與熔焊工藝不同，熱壓焊接工序中，不僅要對芯片凸點加熱，還要施加一定的壓力。該工藝要求芯片或者基板上的凸點為金凸點（可電鍍、濺射/蒸發(fā)方法制備，或者采用釘頭凸點方法制備），同時還要有一個可與凸點連接的表面（如電鍍或濺射/蒸發(fā)的金層）。熱壓焊接的溫度一般在300C左右，這樣才能使材料充分軟化，促進連接過程中的擴散作用，使連接可靠。該方法的優(yōu) 點是工藝簡單，工藝溫度低，無需使用焊劑，可以實現(xiàn)細(xì)間距連接；缺點是熱壓壓力較大，僅適

10、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超聲熱壓焊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，易于實現(xiàn)塑性變形。熱超聲的優(yōu)點是可以降低連接溫度，縮短加工處理的時間。缺點是可能在硅片上形成小的凹坑，主要是由于超聲震動過強造成的。該方法主要適用于金凸點、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，同時焊點高度、最大焊點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從高溫冷卻下來的過

11、程中產(chǎn)生 的。由于金的熔點溫度高，因此它對疲勞損傷的敏感程度遠(yuǎn)小于一般的焊料凸點的。如果在熱循環(huán)中應(yīng)力沒有超過凸點與焊盤之間的連接強度，那么可靠性不會存在太大問題。下底料填充（填充什么、怎么填充）底部流動、底部不流動由于硅芯片、焊料凸點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，并能有效地緩沖機械沖擊的損傷程度。其中焊料凸點與焊盤的連接界面處承受著更容易失效的風(fēng)險，通過下填充可以將芯片、凸點和基板緊緊地黏附在一起，達到重新分配整個芯片上的熱膨脹系數(shù)失配和機械沖擊產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變力。下填充提供了一個好的

12、機械連接，大大提高了封裝的可靠性，并且還能防止?jié)駳夂推渌问降恼次邸Ｊ褂孟绿畛淠軌虼蟠筇岣叩寡b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520倍。下填充工藝有兩種， 底部流動填充和底部不流動填充。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)除岀去， 減少氣泡的殘留。芯片與基板之間空隙足夠大時，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。、錫銀銅釬料倒裝再流焊溫度曲線設(shè)定 原理再流焊的原理：當(dāng)PCB進入升溫區(qū)（干燥區(qū)）時，焊膏中的

13、溶劑、氣體蒸發(fā)掉，同時，焊膏中的 助焊劑潤濕焊盤、元器件端頭和引腳，焊膏軟化、塌落、覆蓋了焊盤，將焊盤、元器件引腳與氧 氣隔離；PCB進入保溫區(qū)時，使PCE和元器件得到充分的預(yù)熱，以防PCB突然進入焊接高溫區(qū)而損壞PCB和元器件。當(dāng)PCB進入焊接區(qū)時，溫度迅速上升使焊膏達到熔化狀態(tài)，液態(tài)焊錫對PCB的焊盤、元器件端頭和引腳潤濕、擴散、漫流或再流混合形成焊錫接點；PCB進入冷卻區(qū)，使焊點凝固，此時完成了再流焊。溫度曲線設(shè)置及其依據(jù)溫度曲線是保證焊接質(zhì)量的關(guān)鍵，實時溫度曲線和焊膏溫度曲線的升溫斜率和峰值溫度應(yīng)基本一致。160C前的升溫速度控制在1C/s2C/s。如果升溫斜率速度太快，一方面使元器件

14、及PCB受熱太快，易損壞元器件，易造成PCB變形。另一方面，焊膏中的熔劑揮發(fā)速度太快，容易濺岀金屬成份，產(chǎn)生焊錫球；峰值溫度一般設(shè)定在比焊膏金屬熔點高30C40C左右（比如本課題的Sn3.0Ag0.5Cu焊膏的熔點在217C左右，峰值溫度可設(shè)置為250C），再流時間為30s60s。峰值 溫度低或再流時間短，會使焊接不充分，嚴(yán)重時會造成焊膏不熔。峰值溫度過高或再流時間長， 造成金屬粉末氧化，還會增加共界金屬化合物的產(chǎn)生，使焊點發(fā)脆，影響焊點強度，甚至?xí)p壞元器件和印制板。而且設(shè)置溫度曲線必需要有一定的依據(jù)：不同金屬含量的焊膏有不同的溫度曲線，應(yīng)按照焊膏加工廠提供的溫度曲線進行設(shè)置（主要控制升溫速

15、率、峰值溫度和再流時間）。根據(jù)PCB板的材料、厚度、是否多層板、尺寸大小。根據(jù)表面組裝板搭載元器件的密度、元 器件的大小以及有無BGA、CSP等特殊元器件進行設(shè)置。要根據(jù)設(shè)備的具體情況，例如加熱區(qū) 長度、加熱源材料、再流焊爐構(gòu)造和熱傳導(dǎo)方式等因素進行設(shè)置。熱風(fēng)爐和紅外爐有很大區(qū)別，紅外爐主要是輻射傳導(dǎo)，其優(yōu)點是熱效率高，溫度陡度大，易控制溫度曲線，雙面焊時PCBt、下溫度易控制。其缺點是溫度不均勻。在同一塊PCB上由于器件的顏色和大小不同、其溫度就不同。為了使深顏色器件周圍的焊點和大體積元器件達到焊接溫度，必須提高焊接溫度。熱風(fēng)爐主要是對流傳導(dǎo)。其優(yōu)點是溫度均勻、焊接質(zhì)量好。缺點是PCBt、下溫差以及沿焊接爐長度方向溫度梯度不易控制。要根據(jù)溫度傳感器的實際位置來確定各溫區(qū)的設(shè)置溫度。要根據(jù)排風(fēng)量的大小進行設(shè)置。環(huán)境溫度對爐溫也有影響，特別是加熱溫區(qū)短，因此要保證環(huán)境溫度的適宜。三、焊接缺陷檢測及分析四、倒裝焊點可靠性測試方案難得的是有份清閑時光，難得的是有種知途迷返，知之為知之，不知 為不知，知你冷暖，懂你悲歡，把你放在了心頭上的人。難得的是面對片 深山廣林、教你為人，怎樣處事，面對人生；淡泊世事，踐行伯樂，明鏡心 扉。心似無物化有物，道似無情渡有情，佛似無邊勝有邊，儒似學(xué)而不思 厭也，山高不止于流水，流水不止于小橋，除非去哪里在看看，除非去哪 里在歷歷，除非去哪里在觀光！一路