倒裝芯片技術

2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@1電子制造技術基礎吳豐順博士/教授武漢光電國家實驗室光電材料與微納制造部華中科技大學材料學院2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@2

倒裝芯片(FlipChip)技術2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@3第一部分倒裝芯片簡介2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@4倒裝芯片示意圖在典型的倒裝芯片封裝中,芯片通過3到5個密耳(mil)厚的焊料凸點連接到芯片載體上，底部填充材料用來保護焊料凸點.2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@5什么是倒裝芯片？

倒裝芯片組裝就是通過芯片上的凸點直接將元器件朝下互連到基板、載體或者電路板上。而導線鍵合是將芯片的面朝上。 倒裝芯片元件是主要用于半導體設備；而有些元件，如無源濾波器，探測天線，存儲器裝備也開始使用倒裝芯片技術，由于芯片直接通過凸點直接連接基板和載體上，因此，更確切的說，倒裝芯片也叫DCA（DirectChipAttach）。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@6三種晶片級互連方法2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@7倒裝芯片歷史IBM1960年研制開發(fā)出在芯片上制作凸點的倒裝芯片焊接工藝技術。95Pb5Sn凸點包圍著電鍍NiAu的銅球。后來制作PbSn凸點，使用可控塌焊連接（ControlledcollapseComponentConnection,C4），無銅球包圍。Philoc－ford等公司制作出Ag－Sn凸點Fairchield——Al凸點Amelco——Au凸點目前全世界的倒裝芯片消耗量超過年60萬片，且以約50％的速度增長，3％的圓片用于倒裝芯片凸點。幾年后可望超過20％。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@8為什么使用倒裝芯片?

倒裝芯片技術的興起是由于與其他的技術相比，在尺寸、外觀、柔性、可靠性、以及成本等方面有很大的優(yōu)勢。今天倒裝芯片廣泛用于電子表，手機，便攜機，磁盤、耳機，LCD以及大型機等各種電子產品上。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@9優(yōu)點－01

小尺寸:

小的IC引腳圖形(只有扁平封裝的5％）減小了高度和重量。

功能增強:

使用倒裝芯片能增加I/O的數量。I/O不像導線鍵合中出于四周而收到數量的限制。面陣列使得在更小的空間里進行更多信號、功率以及電源等地互連。一般的倒裝芯片焊盤可達400個。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@10優(yōu)點－02

性能增加:

短的互連減小了電感、電阻以及電容，保證了信號延遲減少、較好的高頻率、以及從晶片背面較好的熱通道。提高了可靠性:

大芯片的環(huán)氧填充確保了高可靠性。倒裝芯片可減少三分之二的互連引腳數。提高了散熱熱能力：倒裝芯片沒有塑封，芯片背面可進行有效的冷卻。低成本：批量的凸點降低了成本。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@11I/O數比較倒裝芯片與扁平封裝的引腳數比較2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@12信號效果比較2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@13缺點－01

裸芯片很難測試凸點芯片適應性有限隨著間距地減小和引腳數的增多導致PCB技術面臨挑戰(zhàn)必須使用X射線檢測設備檢測不可見的焊點和SMT工藝相容性較差2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@14缺點－02

操作夾持裸晶片比較困難要求很高的組裝精度目前使用底部填充要求一定的固化時間有些基板可靠性較低維修很困難或者不可能2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@15倒裝芯片工藝概述主要工藝步驟：第一步：

凸點底部金屬化(UBM)第二步：芯片凸點第三步：將已經凸點的晶片組裝到基板／板卡上第四步：使用非導電材料填充芯片底部孔隙2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@16第一步：凸點下金屬化

（UBM，underbumpmetallization）2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@17第二步:回流形成凸點2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@18第三步：倒裝芯片組裝2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@19第四步：底部填充與固化2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@20不同的倒裝芯片焊點2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@21底部填充與否

有各種不同的倒裝芯片互連工藝，但是其結構基本特點都是芯片面朝下，而連接則使用金屬凸點。而最終差別就是使用底部填充與否。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@22不同的倒裝芯片連接方法焊料焊接熱壓焊接熱聲焊接粘膠連接2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@23Coffin-Manson低周疲勞模型2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@24由此模型可知：

更高的焊點高度更小的晶片器件與基板的熱膨脹系數（CoefficientofThermalExpansion,CTE）相配小的工作溫度變化范圍要提高可靠性必須要求：2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@25倒裝芯片工藝：通過焊料焊接－01焊料沉積在基板焊盤上： 對于細間距連接，焊料通過電鍍、焊料濺射或者 固體焊料等沉積方法。

很粘的焊劑可通過直接涂覆到基板上或者用芯片凸 點浸入的方法來保證粘附。 對于加大的間距（>0.4mm），可用模板印刷焊膏。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@26回流焊接：

芯片凸點放置于沉積了焊膏或者焊劑的焊盤上，整個 基板浸入再流焊爐。清洗

：焊劑殘留。測試：由于固化后不能維修，所以在填充前要進行測試。底部填充：

通過擠壓將低粘度的環(huán)氧類物質填充到芯片底部，然 后加熱固化。倒裝芯片工藝：通過焊料焊接－022023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@27步驟示意圖2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@28底部填充示意圖2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@29倒裝芯片工藝－通過熱壓焊接

在熱壓連接工藝中，芯片的凸點是通過加熱、加壓的方法連接到基板的焊盤上。該工藝要求芯片或者基板上的凸點為金凸點，同時還要有一個可與凸點連接的表面，如金或鋁。對于金凸點，一般連接溫度在300°C左右，這樣才能是材料充分軟化，同時促進連接過程中的擴散作用。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@30熱壓和熱聲倒裝芯片連接原理示意圖熱壓與熱聲倒裝芯片示意圖2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@31基板金屬化基板上的焊盤必須進行適當地金屬化，例如鍍金，以便于實現連接。另外，基板應該非常平整。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@32凸點熱壓倒裝芯片連接最合適的凸點材料是金，凸點可以通過傳統的電解鍍金方法生成，或者采用釘頭凸點方法，后者就是引線鍵合技術中常用的凸點形成工藝。由于可以采用現成的引線鍵合設備，因此無需配備昂貴的凸點加工設備，金引線中應該加入1%的Pd，這樣便于卡斷凸點上部的引線。凸點形成過程中，晶圓或者基板應該預熱到150～200°C。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@33釘頭金凸點

SBB（StudBondBump）2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@34釘頭金凸點制作GoldwireGoldballCoining(level)WirebreakingBallbondingGoldstudGoldstudbump2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@35Coining(level)FlattailbumpRaisedcrossbumpCrossedslotsbumpVariationStackedbump釘頭金凸點制作2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@36若干問題

在某些情況下，如顯示器中的玻璃上芯片(chip-on-glass，COG)，采用焊接連接并不是最合適的選擇，而應該考慮采用其它替代方法。大多數不采用焊接的倒裝芯片技術中，芯片是采用導電膠或者熱壓、熱聲的方法連接到基板上的。這些方法的優(yōu)點是：簡單，無需使用焊劑工藝溫度低可以實現細間距連接2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@37若干問題

對于直徑為80mm的凸點，熱壓壓力可以達到1N。由于壓力較大，溫度也較高，這種工藝僅適用于剛性基底，如氧化鋁或硅。另外，基板必須保證較高的平整度，熱壓頭也要有較高的平行對準精度。為了避免半導體材料受到不必要的損害，施加壓力時應該有一定的梯度。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@38

與一般的焊點連接一樣，熱壓倒裝芯片連接的可靠性也要受到基板與芯片的熱膨脹系數(CTE)失配的影響，此外焊點的高度、焊點之間的最大間距亦會對可靠性造成影響。連接區(qū)的裂紋多是在從連接溫度冷卻下來的過程中產生的?？煽啃?023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@39

由于金的熔點溫度高，因此它對疲勞損傷的敏感程度遠小于焊料。因此，如果在熱循環(huán)中應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。芯片與基底之間的底部填充材料使連接抵抗熱疲勞的性能顯著提高，如果沒有底部填充，則熱疲勞將是倒裝芯片主要的可靠性問題?？煽啃?023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@40

倒裝芯片的連接頭應該能夠產生300°C的連接溫度，要有較高的平行對準精度，為了防止半導體材料發(fā)生損傷，施加壓力時應該保持一定的梯度。在熱壓倒裝芯片連接中，凸點發(fā)生變形是不可避免的，這也是形成良好連接所必需的。另外，連接壓力和溫度應該盡可能低，以免芯片和基板損壞。生產問題2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@41GaAs器件的熱壓倒裝芯片連接工藝參數曲線工藝參數曲線2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@42倒裝芯片工藝—通過熱聲焊接

熱聲倒裝芯片連接是將超聲波應用在熱壓連接中，這樣可以使得焊接過程更加快速。超聲能量是通過一個可伸縮的探頭從芯片的背部施加到連接區(qū)。超聲波的引入使連接材料迅速軟化，易于實現塑性變形。熱聲連接的優(yōu)點是可以降低連接溫度，縮短加工處理的時間。熱聲倒裝芯片連接的缺點是可能在硅片上形成小的凹坑，這主要是由于超聲震動過強造成的。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@43

可靠性

與一般的焊點連接一樣，熱壓倒裝芯片連接的可靠性也要受到基板與芯片的熱膨脹系數(CTE)失配的影響，此外焊點的高度、焊點之間的最大間距亦會對可靠性造成影響。連接區(qū)的裂紋多是在從連接溫度冷卻下來的過程中產生的。由于金的熔點溫度高，因此它對疲勞損傷的敏感程度遠小于焊料。因此，如果在熱循環(huán)中應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。芯片與基底之間的底部填充材料使連接抵抗熱疲勞的性能顯著提高，如果沒有底部填充，則熱疲勞將是倒裝芯片主要的可靠性問題。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@44

生產問題

熱聲倒裝芯片連接發(fā)展迅猛，但是它卻是一個高風險的選擇。該工藝需要將壓力、溫度、超聲震動、平整性等綜合起來考慮，因此整個系統的設計非常復雜。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@45熱聲倒裝芯片連接的優(yōu)點

工藝簡單擴大了連接材料的選擇范圍降低加工溫度、減小壓力、縮短時間2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@46倒裝芯片工藝—通過粘膠連接

導電膠連接是取代鉛錫焊料連接的可行方法，導電膠連接既保持了封裝結構的輕薄，成本也沒有顯著增加。該工藝的優(yōu)點是：工藝簡單固化溫度低連接后無需清洗2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@47

各向異性導電膠是膏狀或者薄膜狀的熱塑性環(huán)氧樹脂，加入了一定含量的金屬顆粒或金屬涂覆的高分子顆粒。在連接前，導電膠在各個方向上都是絕緣的，但是在連接后它在垂直方向上導電。金屬顆粒或高分子顆粒外的金屬涂層一般為金或者鎳。

各向同性導電膠是一種膏狀的高分子樹脂，加入了一定含量的導電顆粒，因此在各個方向上都可以導電。通常高分子樹脂為環(huán)氧樹脂，導電顆粒為銀。各向同性、各向異性導電膠2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@48

倒裝芯片導電膠連接示意圖2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@49倒裝芯片的非導電膠粘接也是可行的，但是到目前為止，這種膠水中的顆粒種類非常有限。從理論上說，非導電膠粘接的可靠性非常高，因為它使連接表面積減小到最低限度，但實際上它的可靠性并不高，而且對某些工藝條件的要求比導電膠連接更加苛刻。比較2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@50

采用導電膠連接的倒裝技術要求在焊盤上形成導電凸點，最適宜的凸點材料為金。各向同性導電膠本身也可以作為凸點材料，此時應避免使鋁表面的金屬化層接觸到粘性凸點，因為鋁很容易氧化，最終將形成不導電的連接。凸點2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@51各向同性導電膠形成的凸點的SEM照片凸點形貌2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@52

與鉛錫焊料相比，導電膠(無論是各向同性還是各向異性)都是熱的不良導體，但是采用導電膠并不會使元件的熱阻增加多少，因為元件內產生的熱量僅有少量通過倒裝芯片的連接接點傳遞，主要是受芯片尺寸和基板材料的影響。加熱2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@53

總體上說，導電膠的導電性能也比鉛錫焊料差，各向同性導電膠倒裝芯片連接點的電阻為幾毫歐，而電感、電容的數值則沒有文獻報道過。信號傳輸2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@54釘頭凸點導電膠連接技術2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@55倒裝芯片失效原因——魚骨圖2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@56第二部分凸點及其制作2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@57凸點的制作UBM凸點形成2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@58對UBM的要求－01

必須與焊區(qū)金屬以及圓片鈍化層有牢固的結合力：

Al是最常見的IC金屬化金屬，典型的鈍化材料為氮化物、氧化物以及聚酰亞胺。確保鈍化層沒有針孔是很重要的，否則就會在UBM的過程中產生破壞IC的隱患.

和焊區(qū)金屬要有很好的歐姆接觸：所以在沉積UBM之前要通過濺射或者化學刻蝕的方法去除焊區(qū)表面的Al氧化物。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@59對UBM的要求－02

要有焊料擴散阻擋層：必須在焊料與焊盤焊區(qū)金屬之間提供一個擴散阻擋層要有一個可以潤濕焊料的表面：最后一層要直接與凸點接觸，必須潤濕凸點焊料。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@60

氧化阻擋層：為保證很好的可焊性，要防止UBM在凸點的形成過程中氧化。對硅片產生較小的應力：

UBM結構不能在底部與硅片產生很大的應力，否則會導致底部的開裂以及.硅片的凹陷等可靠性失效。對UBM的要求－032023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@61UBM結構示意圖2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@62UBM結構－01UBM一般由三層薄膜組成:1、粘附以及擴散阻擋層： 使用的典型金屬有：Cr、Ti、Ti/W、 Ni、Al、Cu、Pd和Mo。 典型厚度：0.15-0.2mm.2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@63UBM結構——022焊料潤濕層：典型金屬:Cu、Ni、Pd。典型厚度:1-5mm。3氧化阻擋層：典型金屬：Au。典型厚度：0.05-0.1mm。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@64UBM的層次組合－01

這些薄膜層的組合出現了很多的UBM結構，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.

其結構對本身的可靠性影響很大，據報道Ti/Cu/Ni(化學鍍Ni)的UBM比Ti/Cu的粘附結合力要強。

UBM的結構也影響它與焊區(qū)金屬、它與凸點之間的可靠性。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@65UBM的層次組合——02

為了保證可靠的互連，UBM必須與用于凸點的焊料合金相容。適合高鉛的UBM不一定適合高錫焊料。例如Cu潤濕層合適于含錫3～5％的高鉛焊料，但是不適合于高錫焊料，因為Cu與Sn反應迅速而生成Sn-Cu金屬間化合物。如果Cu被消耗完畢，焊料將與焊區(qū)不潤濕。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@66層次組合特點2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@67UBM的沉積方法

濺射：用濺射的方法一層一層地在硅片上沉積薄膜，然后通過照相平版技術形成UBM圖樣，然后刻蝕掉不是圖樣的部分。蒸鍍：利用掩模，通過蒸鍍的方法在硅片上一層一層地沉積。.這種選擇性的沉積用的掩模可用于對應的凸點的形成之中?；瘜W鍍:采用化學鍍的方法在Al焊盤上選擇性地鍍Ni。常常用鋅酸鹽工藝對Al表面進行處理。無需真空及圖樣刻蝕設備，低成本。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@68常見的UBM方法UBM形成方法－化學鍍鎳方法2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@69化學鍍鎳

化學鍍鎳用作UBM的沉積，金屬鎳起到連接/擴散阻擋的作用，同時也是焊料可以潤濕的表面。鎳的擴散率非常小，與焊料也幾乎不發(fā)生反應，它僅與錫有緩慢的反應，因此非常適合作為共晶焊料的UBM金屬。 化學鍍鎳既可以用于UBM金屬的沉積，也可以用來形成凸點。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@70化學鍍鎳特點——01

無定形化學鍍鎳層中沒有晶界，無法形成擴散的通道，所以是一層良好的擴散阻擋層。 鎳UBM的厚度一般為1-15mm，而5mm厚的鎳UBM就能使焊料凸點的可靠性明顯提高。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@71化學鍍鎳特點——02

鍍鎳之后，還要在鎳上鍍一層厚度為0.05-0.1mm的金，它主要是防止鎳發(fā)生氧化，以保持它的可焊性。 采用化學鍍鎳的方法形成凸點時，通常鎳凸點要與導電膠（各向同性或者各向異性均可）一起使用。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@72鋁焊盤上化學鍍鎳前處理由于鋁焊盤表面有一層氧化物，鍍層金屬無法粘附在這樣的表面上，因此要對鋁表面進行適當的處理以清除氧化物層。最一般的方法是在鋁焊盤上鋅酸鹽處理(zincation)

，還有：鍍鈀活化(palladiumactivation)

、鎳置換(nickeldisplacement)

、直接鍍鎳等。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@73鋅酸鹽處理(Zincation)

該技術是在鋁的表面沉積一層鋅，以防止鋁發(fā)生氧化，該技術的反應原理如下：2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@74鋅酸鹽處理步驟

清洗：清理鋁表面的輕度污染，通常采用堿性清洗劑。腐蝕：清除鋁表面的微小氧化物顆粒，一般采用稀釋的酸性腐蝕液，如硫酸、硝酸、硝酸－氫氟酸混合液等。鍍鋅：將鋁浸入鋅槽中，該槽內盛有強堿性溶液，成份包括：Zn(OH)2,NaOH,Fe,Cu,Ni等，最終鋅便在鋁表面形成。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@75為了使隨后的鍍鎳層光潔而均勻，鋅層應該薄而均勻。第一輪鍍錫往往形成一層粗糙的鋅層，其顆粒尺寸從3-4mm到小于1mm不等，這樣的表面使隨后的鍍鎳層也非常粗糙。第一輪鍍鋅2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@76第一輪粗糙的表面2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@77導致不均勻、粗糙的鍍鎳結果2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@78第二輪鍍鋅上述問題可以通過二次鍍鋅來解決，在該過程中，前次形成的鋅層被稀釋的硝酸腐蝕掉，然后再進行第二輪鍍鋅，這樣的處理就能使鍍鋅層薄而均勻。下面是再次鍍鋅的Al焊盤：2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@79鍍鋅工藝的一個缺點就是鋁也會被鍍液腐蝕掉，二次鍍鋅工藝中尤其嚴重，0.3-0.4mm厚的鋁將被腐蝕掉。因此，在該工藝中，鋁的厚度至少應該大于1mm。在鍍鋅過程中，鋅沉積在鋁表面，而同時鋁及氧化鋁層則被腐蝕掉。鋅保護鋁不再發(fā)生氧化，鋅層的厚度很薄，而且取決于鍍液的成份、浴槽的狀況、溫度、時間、鋁的合金狀態(tài)等因素。鋅酸鹽處理步驟2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@80

鍍鎳：鍍鋅之后，鋁被浸入鍍液中進行化學鍍鎳，這種鍍液為硫酸鎳的酸性溶液，成份還包括次磷酸鈉或者氫化硼作為還原劑，反應原理見下式：

鍍鎳鍍鎳之前，晶圓的背面必須覆上阻擋層。鎳能夠在硅的表面生長，則那些未經鈍化的硅表面也會有鎳形成，但是這種連接非常不牢固，很容易脫落，從而在細間距電路中引起短路。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@81其它鋁焊盤處理技術－01鈀活化工藝：

該工藝是在鋁上鍍一層鈀。首先，鋁經過清洗和腐蝕去除表面氧化物，該過程與鍍錫工藝中的一樣。然后，鋁被浸入鈀溶液中，鈀有選擇地沉積在鋁表面。之后，鋁再被浸入化學鍍鎳的溶液中進行化學鍍。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@82其它鋁焊盤處理技術－02鎳置換工藝：鎳置換工藝是指用置換鍍槽中的鎳離子置換鋁，從而實現對鋁表面的預處理。該工藝首先也是要對鋁表面進行清洗和腐蝕，然后將鋁浸入置換鍍槽中，之后再浸入化學鍍槽中鍍鎳。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@83其它鋁焊盤處理技術－03直接鍍鎳工藝：在該工藝中，采用活性劑來清除經過清洗和腐蝕的鋁的表面氧化物，之后立即將鋁直接浸入鍍槽中鍍鎳。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@84凸點技術－01

凸點常用的材料是Pb/Sn合金，因為其回流焊特性如自中心作用以及焊料下落等。自中心作用減小了對芯片貼放的精度要求。下落特點減小了共面性差的問題。

95Pb/5Sn或者97Pb/3Sn的回流焊溫度較高：330-350C。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@85凸點技術——02

根據芯片的其它部分、有機基板等的工作溫度要求，開發(fā)出了高錫焊料，如37Pb/63Sn的回流溫度為200C左右.

2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@86焊料凸點方法將簡介討論7中常見的凸點形成辦法:蒸鍍焊料凸點,電鍍焊料凸點,印刷焊料凸點,釘頭焊料凸點放球凸點焊料轉移凸2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@871、蒸鍍凸點2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@88蒸鍍凸點步驟示意圖2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@89步驟－011、現場對硅片濺射清洗（a）：在沉積金屬前去除氧化物或者照相掩模。同時使得硅片鈍化層以及焊盤表面粗糙以提高對UBM的結合力。2、金屬掩模：常常用帶圖樣的鉬金屬掩模來覆蓋硅片以利于UBM以及凸點金屬的沉積。金屬掩模組件一般由背板、彈簧、金屬模板以及夾子等構成。硅片被夾在背板與金屬模板之間，然后通過手動對位.對位公差可控制在25mm。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@90步驟－023、UBM蒸鍍（b）：然后按順序蒸鍍Cr層、CrCu層、Cu層以及Au層。4焊料蒸鍍（c）：在UBM表面蒸鍍一層97Pb/Sn或者95Pb/Sn.厚度約為100-125mm。形成一個圓錐臺形狀2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@91步驟－03

注意圖（e）中頂部的額外的錫層，這是Motorola采用的“蒸鍍、額外共晶”，縮寫為“E3”。這層薄薄的蓋子允許器件連接到有機板上而不用在施加共晶焊料。這是因為高鉛焊料在300°C回流，而不適合于有機基板。于是焊接時可只回流上面的錫鉛共晶，而不將凸點熔化。5、凸點成球（d）：在C4工藝中，凸點回流成球狀。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@922、電鍍凸點

電鍍是一個比較流行的工藝，其設備成本低、設施占地少，有很多的電鍍工藝可以采用。傳統的電鍍沿用蒸鍍使用的Cr/Cr-Cu/Cu結構的UBM和使用高鉛合金。如果采用高錫合金，Sn會很快消耗Cu而破壞結構的完整性。于是為了沉積共晶焊料，往往在UBM的結構中，Ti/W作為結合層，其上有一層Cu的潤濕層。而且潤濕銅層要厚。這種較厚的銅層稱為“微球”或者“圖釘帽”。使用這種結構公司有：德州儀器、摩托羅拉、國家半導體、沖電氣（OKI）等公司。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@93電鍍凸點橫截面示意圖2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@94電鍍凸點步驟示意圖2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@95步驟－011、硅片清洗：方法和目的與蒸鍍中清洗相同。2、UBM沉積：典型的UBM材料層為：TiW－Cu－Au，濺射到整個硅片上。理論上講，UBM層提供了一個平均得電流分布以利于一致的電鍍。圖(a)是硅片覆蓋了TiW的情形，為了形成微球或者圖釘帽結構，施加掩模（b），沉積一定高度的Cu和Au（c），一般凸點總體高度為85mmto100mm時候，微球高度為10mm到25mm。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@96步驟－023、焊料的電鍍：再次施加掩模，以電鍍凸點（d）。當凸點形成之后，掩模被剝離（e）。暴露在外的UBM在一到兩天內刻蝕掉。4、回流成球：回流后利于凸點在UBM去除時候不被破壞見圖（f）。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@97ElectroplatingSolderBumpingProcess

電鍍焊球凸點工藝ProcessFlowofElectroplatingSolderBump電鍍焊球凸點工藝流程

ChipPRopeningChipElectroplatedsolderbumpMushrooming2.SputterUnderBumpMetal金屬層濺射3.CoatwithPR覆蓋光膠4.Patternforbump凸點光刻5.ElectroplatingCuandSn/Pb焊料電鍍6.RemoveResist去除光膠1.WaferwithAlpad鈍化和金屬化晶片ChipPassivationAlcontactpadChipUBMChipThickphotoresistfilmChip7.StripUnderBumpMetal去除UBMChip8.Reflow回流Chipsolderballafterreflow2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@98ElectroplatingSolderBumpingProcess

電鍍凸點制備工藝Peripheralarraysolderbumps周邊分布凸點Areaarraysolderbumps面分布凸點

Thepeaktemperatureofreflowprocess回流焊峰值溫度：220oC.

Theeffectivebumppitchforperipheralarray周邊分布有效凸點間距：

125m.2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@99ProcessSpecification工藝參數PhotoresistThickness光刻膠厚度:40~100m BumpMaterial凸點材料:63Sn/37PbBumpheight凸點高度:75~140mUBMlayer凸點下金屬層:Ti/W-Cu,Cr-CuMin.effectivepitchofbump最小有效凸點間距:125mI/Oarray輸入/輸出分布:peripheralarray周邊分布andareaarray面分布2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@100FlipChiponLow-CostSubstrateSamplesSampleswithDifferentDimensionsPCB上不同尺寸倒裝焊樣品FlipChiponFlexiblesubstrate在軟質底板上倒裝焊Directchipattachonlow-costPCB,flexiblesubstrate

已完成在低成本PCB和軟質底板上倒裝焊工藝的研究MCM-Ltechnology多芯片組裝技術.2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@1013、焊膏印刷凸點Delco電子（DE）、倒裝芯片技術公司（FCT）、朗訊等公司廣泛常用焊膏印刷成凸點的方法。目前各種焊膏印刷技術可達到250mm的細間距。下面簡介DE/FCT的基本工藝。StencilPrintingBumpingFlipChipTechnology

絲網印刷凸點倒裝焊技術2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@102焊膏印刷凸點橫截面示意圖2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@103焊膏印刷凸點的步驟示意圖2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@104步驟1、清洗：方法與目的與蒸鍍相同。2、UBM沉積圖（a）：濺射Al、Ni、Cu三層。3、圖形刻蝕成型：在UBM上施用一定圖樣的掩模，刻蝕掉掩模以外的UBM（b），然后去除掩模，露出未UBM（c）。4、焊膏印刷以及回流：見圖（d）（e）2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@105ElectrolessUBMandStencilPrinting化學鍍UBM和絲網印刷工藝

Themostpotentiallowcostflipchipbumpingmethod.

最具前景的低成本倒裝焊凸點制備方法UsingelectrolessNi/AuasUBMsystem用化學鍍鎳/金作為凸點下金屬層masklessprocess無掩膜工藝CompatiblewithSMTprocess與表面貼裝工藝兼容Flexiblefordifferentsolderalloys適用于不同焊料合金ChipSolderBumpElectrolessNi/AuPassivation2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@106StencilPrintingProcessFlow絲網印刷工藝流程ProcessflowofStencilPrintingProcess絲網印刷工藝流程(nottoscale)Waferpreparation晶片制備(PassivationandAlpads)ZincationPretreatment鋅化預處理ElectrolessNi/ImmersionAu化學鍍鎳/金StencilPrinting絲網印刷SolderReflowandCleaning焊料回流和清洗2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@107StencilPrintingProcessFlow絲網印刷工藝流程SketchofprocessflowElectrolessNi/AuStud(Crosssection)化學鍍鎳/金SolderPastePrinting漿料印刷Reflow回流2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@108ProcessSpecification工藝參數I/Opadswithapitchof400mareusedfortestingdice Thelimitationofthisprocessisthepitchof150m.

測試芯片I/O凸點間距：400微米ThicknessofNi/AuUBMis5~6m. Ni/AuUBM厚度：5~6微米Differentsolderalloysareavailable. Solderalloysfromdifferentvender:Kester,Multicore,AlphaMetal,Indium,… Differentcomposition:eutecticPb-Sn,leadfree

可應用不同供應商凸點焊料2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@109SamplesbyStencilPrintingBumping

絲網印刷凸點工藝樣品FlipChiponPCBforTesting在PCB上倒裝焊測試樣品2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@1104、釘頭焊料凸點

使用標準的導線鍵合中的方法來形成凸點，Au絲線或者Pb基的絲線。其過程與導線鍵合基本相同，唯一的差別就是：球在鍵合頭形成之后就鍵合到焊盤上，其絲線馬上從球頂端截斷。這種方法要求UBM與使用的絲線相容。 然后這種圖釘式的凸點通過回流或者整形方法形成一個圓滑的形狀，以獲得一致的凸點高度。一般地，這種凸點與導電膠或者焊料配合使用以進行組裝互連。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@111釘頭凸點形貌未整形的Au釘頭凸點與整形后的凸點

2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@112釘頭焊料凸點步驟示意圖2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@113凸點形貌Sn/Pb釘頭凸點在300°C回流后與Al焊盤發(fā)生去潤濕2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@1145、放球法PacTech研制一種SolderBallBumper。一個植球頭單元在放球的同時通過光纖施加激光脈沖進行回流焊。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@115放球法設備2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@1166、焊料轉送凸點在載體上形成，然后轉送到焊盤上去。載體必須是與焊料不潤濕的材料，如硅片、熱阻玻璃片等。首先，通過蒸鍍在載體上形成凸點，其圖樣與芯片焊盤極度的一致。載體圖樣的形成通過金屬模板掩模與抬起工藝來制作。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@117焊料轉送簡介在沉積凸點之前，要沉積大約1000A°厚度的金薄層。它用來增加焊料與載體的粘附力，以防止焊料從載體上分離，而且增加分離焊料熔化前的潤濕時間，使得它有足夠的時間來潤濕UBM，下一步就是焊料轉送。如果要將凸點轉移到硅片上，將載體分割后放在涂了焊劑的硅片上。如果要將凸點轉移到單個芯片上，則將晶片放在途有焊劑的載體上。然后進行回流，凸點與載體不潤濕，從而焊接到晶片焊盤上。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@118焊料傳送步驟示意圖2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@119若干問題在凸點材料的選擇、焊盤的尺寸設計、焊接材料與基底材料的兼容性等方面要注意以下幾個問題：2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@120

FR4-基底不能承受太高的回流焊溫度，如果凸點采用的是高溫焊料(如Pb95/Sn5),那么在基底上一定要再施加一些低溫合金焊料，以實現低溫連接。周邊焊盤陣列的最小間距為200mm，而面陣列焊盤的最小間距可為250mm。在多數晶片中，焊盤都是采用周邊陣列的形式，以方便進行引線鍵合工藝。若干問題－012023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@121

在倒裝芯片連接中，采用面陣列焊盤的形式可以增加輸入輸出I/O數，如果要將周邊陣列改為面陣列，則需要改變晶片上電路的結構，然后再進行凸點工藝。流過焊料凸點的最大電流密度為大約4200A/cm2。典型的凸點高度為125-140mm，這取決于焊盤之間的間距，凸點高度的公差范圍為±15mm。若干問題－022023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@122UBM

基底的金屬化層應與凸點中的焊料形成良好的結合。若基板上的焊盤材料為銅，銅上一般還要再鍍一層鉛錫、錫或者金。采用金作為銅焊盤的金屬化層，其厚度要限制在1-2mm內，以防止產生脆性的金－錫金屬間化合物。如果金屬化層就是裸銅，那么應該采用焊料平整工藝在焊盤上涂覆一薄層熔融焊料，以提高可焊性，同時增加接頭中的焊料體積，使接頭更具有韌性。但是，每一個焊盤上涂覆的焊料的高度和體積應該盡可能均勻一致。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@123加熱

如果沒有底部填充，建議最高連接溫度為140oC到150oC。一個凸點的熱阻為1000-1500oC/W，將一個焊料凸點的熱阻除以芯片上凸點的個數，就可以粗略估算出倒裝芯片中芯片與基底之間的熱阻。此外，其他途徑也可以改善芯片的散熱。例如，可以在芯片上形成一些專門用于散熱的凸點(“啞凸點”)，或者采用高熱導率的底部填充材料。在一些大功率的封裝件中，如微處理器，散熱十分重要，此時芯片的背面也可以用于散熱。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@124

倒裝芯片組裝非常適用于高頻應用領域，因為在這種組裝結構中，芯片與基底之間的連接通路非常短。倒裝焊點的串連阻抗為1mW左右，串連電感為0.025nH，遠小于引線鍵合中的5～10nH。正是由于倒裝芯片組裝的這種優(yōu)點，信號的傳輸時延可以顯著降低。速度2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@125

帶有引線鍵合芯片的PGA封裝與帶有倒裝芯片的BGA封裝在電容、電感、電阻、傳輸時延等方面的性能比較電性能2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@126

主要指焊點的熱疲勞可靠性。另一個失效就是腐蝕以及原子遷移導致的結構中的電場以及熱梯度。熱疲勞主要依賴焊料性能、芯片與基板的熱膨脹系數。以及焊點高度、焊點到結構中心的距離、使用溫度范圍等。底部填充材料可能顯著影響焊點的熱疲勞可靠性。不同材料的熱疲勞性能比較見下表。銦基焊料熱疲勞性能好，但是在高濕度下可靠性很差?？煽啃?023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@127

當不使用底部填充時，熱疲勞是焊點可靠性的主要問題。適當地底部填充材料部分阻擋了焊點的熱變形，于是疲勞破壞與焊點至結構的中點的距離的關系就不大。其他條件相同條件下不同材料的熱疲勞壽命比較熱疲勞2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@128

底部填充材料吸收了一定的應力，在某些情況下回將其本身的變形轉嫁給芯片，于是芯片中的應力過大而導致開裂。應力的水平取決于基板材料以及硅晶片的表面質量。焊點隨溫度的循環(huán)的疲勞壽命可以使用有限元分析、經驗模型以及計算機軟件進行模擬。對于苛刻的使用要求，建議采用加速測試。疲勞壽命2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@129

在固化底部填充材料前，要對已經焊接的芯片進行測試。一旦固化，出去失效的芯片就很困難。最好在芯片焊接將就進行測試，以確保芯片是真正好的芯片（KGD,Known-GoodDie），以減少返修的可能。

對于真正好的芯片，仍然有很多設備和技術問題。傳統的IC一般進行全面的測試，然后包封起來，因為其最終的測試可以很容易地進行。測試－012023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@130

對于KGD，有兩種基本的測試以及強化途徑： （1）在圓片級

(2)在單個芯片級。 由于功率分布、冷卻以及圓片接觸的問題，在高頻和包封狀態(tài)下進行圓片級的測試有很大的技術難度。而對于單個芯片的高頻以及強化測試，要使用測試插座、探針卡等，會破壞芯片的焊盤，且限制了高頻并且增加了成本。目前強化測試、邊界掃描測試等的研究比較活躍。測試－022023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@131

對于生產KGD，出現了將KGD組裝到臨時載體上使之成為臨時單芯片而進行強化等傳統測試，以提高質量和可靠性。這種情況下，晶片被安裝到與單芯片相同的單芯片封裝中，在焊盤間進行臨時電氣連接，然后進行傳統的測試。當測試完之后，晶片就取出來。

測試－032023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@132

一般的倒裝芯片組裝是通過焊料將凸點焊接到電路板上。對于細間距應用，

焊料可在焊盤上施加較粘的焊劑，施用方法有浸漬芯片或者將焊劑直接涂覆到基板上的辦法。對于間距大于0.4mm，可通過焊膏印刷的辦法。 然后將芯片放在涂覆了焊劑或者焊膏的焊盤上，進行回流，最后清洗。生產過程2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@133

然后滴注底部填充材料，加熱固化。與傳統的SMD組裝比，倒裝芯片組裝需要一些額外的工具與步驟，如：芯片轉載單元、焊劑涂覆單元、浸漬步驟或者焊劑槽以及底部填充與固化設備。生產過程2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@134底部填充2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@135底部填充的作用Si的CET：2.8ppm/oC、FR4的為15.8ppm/oC，在功率循環(huán)與熱循環(huán)工作中，CET失配導致焊點熱應力，而發(fā)生疲勞失效。底部填充材料將集中的應力分散到芯片的塑封材料中去。還可阻止焊料蠕變，并增加倒裝芯片連接的強度與剛度。保護芯片免受環(huán)境的影響（濕氣、離子污染等）使得芯片耐受機械振動與沖擊。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@136填充材料的要求

不適宜使用一般用于包封芯片的環(huán)氧樹脂，因為這類環(huán)氧樹脂及其添加料的放射高，粘滯性高，填料粒子尺寸大于倒裝芯片與基板間的間隙。則填料的要復合以下要求：無揮發(fā)性。否則會導致芯片底部產生間隙。盡可能減小應力失配。填料與凸點連接處的Z方向CTE要匹配。固化溫度要低。防止PCB熱變形。較高的玻璃轉化溫度。以保證耐熱循環(huán)沖擊的可靠性。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@137填充材料的要求填料粒子尺寸要小。在填充溫度下流動性要好。具有較高的彈性模量以及彎曲強度。使得互連應力小。高溫高濕下，絕緣電阻要高。即要求雜質離子（Cl－，Na＋、K＋）等數量要低。對于存儲器等敏感元件，填料低的放射至關重要。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@138填充方式1、芯片焊接后填充 環(huán)氧物質中摻有陶瓷填料以提高導熱率并改善CET。 需要一個阻擋裝置，以防止填充材料到處溢流。2、芯片焊接前填充： 非流動填充，由喬治亞理工大學C.P.Wong等人首先提出。 填充材料發(fā)揮焊劑與填充功能，焊接、填充與固化一步完成。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@139常用填充方法

填充時，將倒裝芯片與基板加熱到70至75

oC，利用裝有填料的L形注射器，沿著芯片的邊緣雙向注射填料。由于縫隙的毛細管的虹吸作用，填料被吸入，并向中心流動。芯片邊緣有阻擋物，以防止流出。有的使用基板傾斜的方法以利于流動。 填充完畢后，在烘箱中分段升溫，達到130oC左右的固化溫度后，保持3到4小時即可達完全固化。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@140填充方式傳統填充方式：芯片焊接前填充較新填充方式：芯片焊接后填充（noflow）2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@141非流動填充01（No-flowUnderfill）2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@142非流動填充022023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@143非流動填充03清洗測試2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@144填充過程的關鍵因素填充量：不足導致晶片開裂、過多會溢流到芯片底部以外。填充量取決于填充空間的準確計算以及填充工具的精度。填充溫度：預熱、加熱以及填充后的加熱對其流動性有很大的影響。填充方法：從一邊填充會導致流動時間長，從兩邊填充會導致內部產生氣孔。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@145含額外的焊劑涂覆單元的倒裝芯片組裝設備組裝設備2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@146底部填充設備底部填充設備2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@147ReliabilityTest

可靠性測試2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@148ReliabilityTestDesign可靠性測試設計JEDECStandardforTestDesign JEDEC標準測試設計(JointElectronDeviceEngineeringCouncil)

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