【倒裝焊技術(shù)應(yīng)用及操作流程探析11000字（論文）】

倒裝焊技術(shù)應(yīng)用及操作流程研究目錄TOC\o"1-3"\h\u6745摘要 131151倒裝芯片焊接技術(shù)概念及特點(diǎn) 2245321.1倒裝芯片焊接概念 2143121.2倒裝芯片焊接特點(diǎn) 228691.2.1效率更高，成本更低 3165491.2.2生產(chǎn)出的芯片更符合市場(chǎng)要求 331941.2.3機(jī)器散熱性更好，電路可靠性增加 3138182倒裝芯片焊接工藝流程 4241082.1控制系統(tǒng)和監(jiān)視顯示屏 5216152.2承片加工臺(tái) 5200452.3壓焊頭 538892.4芯片拾放頭 5132472.5芯片顯示對(duì)位系統(tǒng) 5308083倒裝焊工藝及其應(yīng)用 571513.1凸點(diǎn)制備技術(shù) 511373.1.1電鍍凸點(diǎn) 668553.1.2蒸發(fā)/濺射凸點(diǎn)制作法 7192333.1.3雪球凸點(diǎn)法 8305123.1.4釘頭凸點(diǎn)制作法 9138543.1.5轉(zhuǎn)移法 101743.1.6印刷法 11227503.2UBM制備技術(shù) 12324793.2.1UBM技術(shù)分層 12160263.2.2UBM制備方法 12291513.3下填充技術(shù) 13106553.3.1常規(guī)下填充 14212173.3.2晶圓級(jí)下填充 17220253.3.3注模下填充 18159953.3.4非流動(dòng)下填充 1990403.4倒裝技術(shù) 20323833.4.1熱壓焊接 20254323.4.2熔焊 20223503.4.3膠粘連接 21171183.4.4超聲熱壓焊 21238124總結(jié)及展望 2178054.1總結(jié) 21304654.2展望 2228828參考文獻(xiàn) 22摘要隨著集成電路封裝密度的不斷提高，傳統(tǒng)的集成電路封裝技術(shù)已經(jīng)沒(méi)有辦法再完全保證芯片封裝的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，倒裝焊技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟給芯片封裝提供了更好的選擇，并且在長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐中逐漸得到了廣泛應(yīng)用。本文主要是針對(duì)于倒裝芯片焊接的操作流程和主要技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)介紹。就倒裝焊技術(shù)來(lái)說(shuō)，凸塊制備技術(shù)直接決定了倒裝芯片焊接技術(shù)的質(zhì)量，目前市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了各種凸塊制備技術(shù)以滿足不同產(chǎn)品的封裝需求。因此，倒裝芯片焊接技術(shù)的發(fā)展前景良好。在本文中，將主要對(duì)倒裝焊技術(shù)的主要工藝技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行分析闡述。1倒裝芯片焊接技術(shù)概念及特點(diǎn)1.1倒裝芯片焊接概念倒裝焊技術(shù)，也可以稱(chēng)之為芯片倒裝技術(shù)或者是芯片倒裝互連焊接技術(shù)，是針對(duì)于芯片封裝的一種前沿技術(shù)，在幾十年的技術(shù)發(fā)展中逐漸取代了傳統(tǒng)的封裝技術(shù)而被市場(chǎng)青睞。倒裝焊技術(shù)早在上世紀(jì)六十年代就已經(jīng)出現(xiàn)了，其剛開(kāi)始是在一種基于陶瓷基板的固態(tài)邏輯技術(shù)。在上世紀(jì)七十年代逐漸被應(yīng)用在了芯片封裝技術(shù)當(dāng)中。作為一種芯片封裝技術(shù)，倒裝焊和傳統(tǒng)封裝技術(shù)的區(qū)別就是芯片有緣面的朝向，“倒裝”就意味著其芯片有緣面和傳統(tǒng)封裝技術(shù)相比是對(duì)倒過(guò)來(lái)的，傳統(tǒng)封裝技術(shù)中，芯片有緣面是朝上完成封裝，倒裝則是朝下。因?yàn)槌虻母淖儗?dǎo)致倒裝焊技術(shù)的互聯(lián)線相比更短，進(jìn)行封裝互連過(guò)程中所產(chǎn)生的電阻以及零散電容會(huì)更少，可以極大的增加批次性、大量性的芯片封裝的效率。在現(xiàn)代社會(huì)芯片供求增加的背景下，倒裝焊技術(shù)逐漸取代了傳統(tǒng)封裝技術(shù)而被市場(chǎng)所普遍接受。另外，倒裝焊技術(shù)相較于傳統(tǒng)封裝技術(shù)所占用的基板面積更少，從而可以增加同面積的芯片封裝數(shù)量，這也是倒裝焊技術(shù)的優(yōu)勢(shì)之一，適用于工業(yè)化大批量生產(chǎn)。圖1倒裝焊基本結(jié)構(gòu)1.2倒裝芯片焊接特點(diǎn)在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷發(fā)展的今天，科學(xué)技術(shù)水平的上升以及市場(chǎng)對(duì)更高性能芯片的需求增加，導(dǎo)致芯片逐漸向更薄、更輕、更小以及更強(qiáng)的性能方向發(fā)展，在這種情況下，由于傳統(tǒng)封裝技術(shù)無(wú)法滿足市場(chǎng)大規(guī)模大批量的芯片生產(chǎn)要求從而導(dǎo)致倒裝封裝技術(shù)的普及。從下圖傳統(tǒng)封裝技術(shù)和倒裝焊封裝技術(shù)的對(duì)比其實(shí)可以發(fā)現(xiàn)倒裝技術(shù)更具備發(fā)展前景，其主要的優(yōu)勢(shì)主要有以下幾點(diǎn)。1.2.1效率更高，成本更低相較于傳統(tǒng)封裝技術(shù)來(lái)說(shuō)，倒裝技術(shù)可以以芯片、圓片作為基礎(chǔ),在相同面積下可以在基板上鋪設(shè)的芯片單位更多，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是同等基板面積上產(chǎn)量更大，生產(chǎn)速度更快，可以有效提高芯片生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。1.2.2生產(chǎn)出的芯片更符合市場(chǎng)要求另外一個(gè)優(yōu)勢(shì)其實(shí)在之前的技術(shù)介紹中也說(shuō)明過(guò)，相較于傳統(tǒng)封裝技術(shù)，倒裝技術(shù)由于其“引線建和”更短，所以在芯片封裝過(guò)程中所產(chǎn)生的電阻以及零散電容會(huì)更少，所以生產(chǎn)出的芯片性能會(huì)更高，并且可以迎合市場(chǎng)更小、更薄、更輕的要求。1.2.3機(jī)器散熱性更好，電路可靠性增加從傳統(tǒng)封裝技術(shù)以及倒裝焊封裝技術(shù)的技術(shù)圖對(duì)比中可以清楚的發(fā)現(xiàn)，倒裝焊封裝機(jī)器沒(méi)有塑封體，其散熱能力更強(qiáng)，同時(shí)在芯片的背面可以添加散熱片進(jìn)行有效降溫，提高機(jī)器使用壽命以及電路可靠性。圖1-1傳統(tǒng)引線鍵合互連技術(shù)圖1-2倒裝凸點(diǎn)互連技術(shù)2倒裝芯片焊接工藝流程倒裝芯片鍵合機(jī)是互連和焊接各種倒裝芯片凸塊和板焊盤(pán)的主要方法。倒裝芯片鍵合機(jī)面臨大量的1/O，因此凸塊尺寸和間距小，性能高。由于大規(guī)模或超大規(guī)模芯片焊接的多功能性，倒裝芯片鍵合機(jī)的使用要求更高。圖4顯示了使用倒裝芯片鍵合機(jī)的芯片鍵合過(guò)程。焊頭和板子之間有一個(gè)傾斜45°的半反射鏡。光反射系統(tǒng)在鏡頭上方和下方顯示兩種類(lèi)型的圖形?？梢酝瑫r(shí)在監(jiān)視器屏幕上看到操作過(guò)程，焊頭吸引倒裝芯片，移動(dòng)晶圓加工臺(tái)使芯片凸塊與基板焊接區(qū)對(duì)齊，取下鏡片，焊頭承載芯片和芯片，基板焊接區(qū)域同時(shí)加壓和加熱以完成焊接。無(wú)論是WB焊機(jī)、TAB內(nèi)引線焊機(jī)，還是倒裝焊機(jī)，焊接質(zhì)量與焊接過(guò)程中的壓力（P）、溫度（T）和時(shí)間（t）三個(gè)參數(shù)有關(guān)。正如WB使用熱壓焊機(jī)和超聲波焊機(jī)來(lái)互連IC芯片焊盤(pán)和基板焊盤(pán)一樣，TAB使用內(nèi)部引線鍵合機(jī)來(lái)互連IC芯片凸塊和基板焊盤(pán)。焊接。為提高產(chǎn)量而構(gòu)建的半自動(dòng)和自動(dòng)焊機(jī)使用計(jì)算機(jī)編程來(lái)自動(dòng)調(diào)整P、T和t，以實(shí)現(xiàn)高速和最高質(zhì)量的焊接。倒裝芯片鍵合機(jī)有手動(dòng)、半自動(dòng)和全自動(dòng)幾種類(lèi)型，主要由晶圓加工臺(tái)、芯片取放頭、芯片顯示對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、監(jiān)控顯示屏和壓焊頭和組成。圖4倒裝焊工作原理圖倒裝焊接機(jī)可以按照不同的生產(chǎn)研發(fā)要求設(shè)置成不同的啟動(dòng)模式，具體如前文中所說(shuō)的自動(dòng)、半自動(dòng)以及手動(dòng)操作三種，同時(shí)，其設(shè)備的對(duì)位精度也可以在十微米到幾微米的范圍內(nèi)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。2.1控制系統(tǒng)和監(jiān)視顯示屏倒裝焊接機(jī)的控制系統(tǒng)是焊接機(jī)最重要的系統(tǒng)，所有任務(wù)的完成都是基于控制系統(tǒng)的流程管理，其作用原理相當(dāng)于是在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部輸入已知的成熟操作代碼或者軟件來(lái)完成芯片的封裝操作。監(jiān)視顯示屏則是針對(duì)于機(jī)器操作過(guò)程中的流程完整的紀(jì)錄下來(lái)，同時(shí)也可以通過(guò)外顯示屏進(jìn)行流程的查看，可以針對(duì)于芯片封裝出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行及時(shí)的發(fā)現(xiàn)和處理。2.2承片加工臺(tái)焊接機(jī)的承片加工臺(tái)可以通過(guò)XY軸的平面進(jìn)行被焊接基板的高度以及左右位置調(diào)解，其主要目的是對(duì)基板進(jìn)行調(diào)節(jié)，以保證基板上芯片的封裝效率以及封裝質(zhì)量。2.3壓焊頭倒裝焊接機(jī)上的壓焊頭是完成芯片封裝操作的核心部分，根據(jù)控制系統(tǒng)設(shè)定好的溫度、壓力以及時(shí)間對(duì)基板上的芯片進(jìn)行封裝，具體操作是在控制系統(tǒng)中設(shè)定好相關(guān)溫度、壓力以及時(shí)間之后，焊接頭下壓完成設(shè)定程序的封裝。2.4芯片拾放頭倒裝焊接機(jī)上的芯片抬放頭部分主要是針對(duì)于芯片進(jìn)行“拾起”以及“抬高”和“放下”操作的部件，主要是用做芯片在成片加工臺(tái)上的基板焊接，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是將芯片擺放在基板上的合理位置上。2.5芯片顯示對(duì)位系統(tǒng)當(dāng)芯片抬放頭針對(duì)于芯片進(jìn)行基板位置的校準(zhǔn)工作時(shí)，芯片顯示對(duì)位系統(tǒng)會(huì)在顯示屏中顯示當(dāng)前倒裝焊接機(jī)內(nèi)部芯片在基板上的位置，由此可以觀察到芯片是否在合適的位置完成了芯片封裝。3倒裝焊工藝及其應(yīng)用3.1凸點(diǎn)制備技術(shù)凸點(diǎn)制備技術(shù)是倒裝焊封裝技術(shù)中最為重要也是應(yīng)用最為普遍的封裝技術(shù)，目前所已知應(yīng)用最早的凸點(diǎn)制備技術(shù)是IBM公司的CA制備工藝。在凸點(diǎn)制備技術(shù)中，芯片上的凸點(diǎn)都是由倒裝焊接機(jī)中的薄膜金屬蒸發(fā)形成。伴隨著凸點(diǎn)制備工藝的發(fā)展，為了迎合市場(chǎng)生產(chǎn)要求，凸點(diǎn)制備技術(shù)也在不斷完善和發(fā)展，逐漸出現(xiàn)了電鍍凸點(diǎn)制備法、蒸發(fā)/濺射制備法、雪球凸點(diǎn)制備法、釘頭法等等工藝。3.1.1電鍍凸點(diǎn)表3.1顯示了常見(jiàn)的電鍍凸點(diǎn)類(lèi)型、連接方法和熔點(diǎn)。圖3.1顯示了電鍍低溫焊料凸點(diǎn)的工藝流程。這種方法是國(guó)際上流行的成熟的凸塊制造方法。電鍍工藝具有優(yōu)良的再現(xiàn)性和一致性，可用于不同類(lèi)型芯片和不同材料、不同高度的凸塊的大批量生產(chǎn)加工。蒸發(fā)/濺射也用于UBM，這是電鍍凸塊工藝所需的，但比UBM厚很多倍的凸塊制備被一種需要較少資本投資和較低運(yùn)營(yíng)成本的電鍍工藝所取代。凸塊材料主要分為三種：銅凸塊、金凸塊和焊料凸塊。表3.1常用電鍍凸點(diǎn)類(lèi)型及性能凸點(diǎn)類(lèi)型熔點(diǎn)/°C連接方式凸點(diǎn)材料焊接凸點(diǎn)錫鉛焊料183回流焊63Pb37Sn175回流焊90Pb10Sn175回流焊90Pb10Sn錫銀221回流焊96.5Sn/3.5Ag純錫232回流焊Sn錫銀銅218回流焊95.8Sn/3.5Ag0.7Cu錫銅375回流焊95Sn5Cu227回流焊99.3Sn/0.7Cu錫鉍138回流焊42Sn/58Bi非焊料凸點(diǎn)1064粘接Cu—粘接、熱聲或熱壓焊Au圖3.1電鍍焊料凸點(diǎn)工藝流程在電鍍銅柱上加一層錫或其他焊錫層的目的是使焊錫不再用于芯片的倒裝組裝，只需要直接加熱或回流加熱焊接即可。在電鍍金凸點(diǎn)、金凸點(diǎn)、電鍍銅柱或銅柱上鍍一層焊錫層的基本原理和工藝基本相同。圖3.2顯示了電鍍金凸點(diǎn)的工藝流程。圖3.2電鍍金凸點(diǎn)制備流程如果不需要耐腐蝕性，銅凸塊可能是首選。大型芯片或電路板上存在較大熱差異的連接需要在銅柱和焊料層之間進(jìn)行銅柱或電鍍工藝。這大大提高了焊接的抗疲勞性和熱失配障礙。金凸點(diǎn)和金凸點(diǎn)常用于小端子和大端子的芯片。使用Au進(jìn)行連接提高了連接的可靠性（焊接材料必須匹配）。銅價(jià)格便宜，但銅凸點(diǎn)或銅柱的抗氧化、抗腐蝕能力弱于金凸點(diǎn)和金凸點(diǎn)。3.1.2蒸發(fā)/濺射凸點(diǎn)制作法這種方法兼容IC工藝，工藝和設(shè)備成熟，但需要制作掩膜板，一塊膜板只能用于一個(gè)IC芯片，靈活性較差。早期的倒裝芯片凸塊通常以這種方式創(chuàng)建。光掩模通常用于獲得UBM和焊料凸點(diǎn)所需的圖案，但設(shè)備成本高，準(zhǔn)備高凸點(diǎn)高度耗時(shí)，生產(chǎn)效率相對(duì)較低。主要原因是蒸發(fā)/濺射后UBM和焊料沉積的不連續(xù)性，這會(huì)去除不需要的UBM和焊料以及隨后的光刻膠。首先創(chuàng)建UBM，然后將焊料蒸發(fā)/濺射到UBM上以形成凸塊。通過(guò)重熔焊料凸塊，凸塊呈錐形和球形。圖3.3顯示了氣相蒸發(fā)/濺射凸塊沉積的工藝流程。圖3.3蒸發(fā)/濺射凸點(diǎn)制備工藝流程3.1.3雪球凸點(diǎn)法該系統(tǒng)是由PacTech開(kāi)發(fā)的直接焊球裝置，也稱(chēng)為SB2-Jet(SolderBallBumpingJet)。回流焊球，同時(shí)用脈沖光排列焊球。在此過(guò)程中，首先放置已處理的焊球。在儲(chǔ)罐中，焊球從毛細(xì)管排出和排出（這個(gè)過(guò)程很短，不影響焊球的形狀），一次完成。在發(fā)射過(guò)程中，激光系統(tǒng)加熱并熔化焊球，使焊球潤(rùn)濕芯片焊盤(pán)并形成良好的鍵合。該方法簡(jiǎn)單、快速、高效、應(yīng)用靈活。這個(gè)過(guò)程由惰性氣體保護(hù)，不需要助焊劑，如圖3.4所示。圖3.4雪球凸點(diǎn)法3.1.4釘頭凸點(diǎn)制作法銅凸塊今天沒(méi)有廣泛使用，因?yàn)樗鼈內(nèi)菀籽趸⑶夷透g性差。隨著技術(shù)的成熟和抗氧化技術(shù)的提高，相信可以取代大部分家電的金凸點(diǎn)。該方法使用金銅絲球鍵合機(jī)完成。對(duì)更好解決倒裝芯片上的金凸點(diǎn)與管芯焊盤(pán)上的鋁互連之間可能發(fā)生的金鋁化合物問(wèn)題，降低互連可靠性的要求較高。它的一些電路被濺到了鋁墊上。與引線鍵合工藝中的直接焊接不同，UBM被分層，然后凸點(diǎn)被鍵合。如圖3.5所示。圖3.5金絲球焊鍵合機(jī)金秋凸點(diǎn)鍵合過(guò)程釘頭凸塊有尾線。一旦尖端上的所有凸塊都完成后，應(yīng)移除尾部尖端以壓平石英板，研磨鍵合機(jī)，研磨（在創(chuàng)建晶片級(jí)釘頭凸塊之后）之后質(zhì)量相對(duì)較高。。從所有凸塊上取下尾尖，以制成具有相同凸塊高度和平整度的尖端凸塊。釘頭凸點(diǎn)法具有工藝簡(jiǎn)單、容易、方便、靈活的優(yōu)點(diǎn)，可以一尖打出凸點(diǎn)。僅適用于引線數(shù)量較少且芯片焊盤(pán)間距較大的芯片封裝以及數(shù)量相對(duì)較少的種類(lèi)繁多的芯片。認(rèn)證芯片不需要凸塊（如果用其他方法產(chǎn)生凸塊，非認(rèn)證芯片也必須凸塊），成本較低但凸塊高度一致性相對(duì)較差。圖3.6顯示了用于粘合的釘頭的準(zhǔn)備和平整。圖3.6釘頭及釘頭拍平圖3.1.5轉(zhuǎn)移法轉(zhuǎn)移法包括錫球直接轉(zhuǎn)移和焊料/焊膏轉(zhuǎn)移。如圖3.7所示，焊膏印刷再轉(zhuǎn)印法和焊錫噴射轉(zhuǎn)印法已經(jīng)成熟。載體有焊料坑，允許壓力將焊料注入坑中。這種方法需要較少的資本投資，效率更高。焊錫印刷轉(zhuǎn)移法是先通過(guò)印刷在載體上形成焊球，然后再轉(zhuǎn)移到焊盤(pán)上，具體可以參見(jiàn)圖3.8。在這里，載體必須是不會(huì)被焊料弄濕的材料，即圖案和芯片焊盤(pán)的高度是必須嚴(yán)格要求的。在錫球注入轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移法中，首先將焊料注入載體中形成錫球，然后回流再轉(zhuǎn)移。圖3.7焊料注入再轉(zhuǎn)移法圖3.8焊料印刷傳送法焊球直接轉(zhuǎn)移法現(xiàn)較多使用的有膠帶輔助轉(zhuǎn)移和微球吸取轉(zhuǎn)移，參見(jiàn)圖3.9和圖3.10。圖3.9膠帶輔助轉(zhuǎn)移圖3.10微球吸取轉(zhuǎn)移3.1.6印刷法印刷法不適合小間距焊盤(pán)，實(shí)際上就是SMT工藝中的絲網(wǎng)印刷技術(shù)，其對(duì)設(shè)備有很高的要求，同時(shí)應(yīng)用受到限制，具體如圖3.11。圖3.11印刷凸點(diǎn)過(guò)程3.2UBM制備技術(shù)UBM為了使連接材料有良好的黏附性能和機(jī)械性能，并確保優(yōu)良的電性能和導(dǎo)熱性能必須能夠保證凸點(diǎn)或焊接材料不直接與A1焊盤(pán)接觸，同時(shí)也必須與A1焊盤(pán)及凸焊點(diǎn)間形成良好的歐姆接觸。UBM在進(jìn)行焊料回流或焊點(diǎn)退火等高溫處理時(shí)，能夠保證凸焊點(diǎn)材料不會(huì)穿透UBM而進(jìn)入下面的A1焊盤(pán)中。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，多層金屬膜UBM是在芯片.上的A1焊盤(pán)與凸焊點(diǎn)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(shí)現(xiàn)、互連可靠性更高。3.2.1UBM技術(shù)分層UBM通常由浸潤(rùn)層、擴(kuò)散阻擋層和黏附層等多層金屬膜組成。(1)浸潤(rùn)焊接層它可以與凸點(diǎn)焊料材料充分潤(rùn)濕，具有很高的可焊性，不會(huì)形成不促進(jìn)焊接的金屬間化合物，還可以保護(hù)鍵合層和阻擋金屬免受氧化和污染。通常選擇Au膜、Au合金膜、Cu膜。表3.2顯示了常用的主要UBM結(jié)構(gòu)層材料和每層的推薦厚度。(2)擴(kuò)散阻擋層可以充分地防止凸焊材料(包括濕層材料)擴(kuò)散到該層中而不被凸焊材料溶解，從而使凸焊材料進(jìn)入A1層形成不利的金屬間化合物。擴(kuò)散阻擋材料一般選自Ti、Ni、Cu、Pd、Ti-W等。(3)黏附層黏附層的材料一般為Cr、Ti、Ti-W、V等，與鋁層的接觸電阻小，與鋁層的粘合性好，熱膨脹系數(shù)接近。3.2.2UBM制備方法UBM制備方法主要有化學(xué)鍍、蒸發(fā)和濺射:(1)化學(xué)鍍化學(xué)鍍不需要金屬蝕刻設(shè)備、掩模制造、真空工藝等，設(shè)備成本低，投資小?；瘜W(xué)鍍常用于制造厚金屬膜。A1壓痕的表面通常通過(guò)鍍鋅工藝活化，然后進(jìn)行化學(xué)鍍。這主要是通過(guò)化學(xué)鍍?cè)贏1焊盤(pán)上選擇性沉積Ni層。(2)蒸發(fā)其致密度相對(duì)濺射要低些，但設(shè)備投入相對(duì)低。其原理與濺射基本相同，只是金屬膜是用蒸發(fā)的方法進(jìn)行沉積。(3)濺射通過(guò)濺射在硅片上逐層沉積金屬膜，然后通過(guò)金屬刻蝕、掩模光刻、涂膠（此部分為凸面）將未圖案化的金屬膜部分刻蝕去除。完成之后，準(zhǔn)備等后處理并留下所需的UBM圖形。表3.2常用UBM各層材料成分及推薦厚度（μ/m）序號(hào)黏附層焊接層阻擋層1Ti(≥0.10)Au(≥0.10)Ni或Pt或Pd(0.35-0.80)2Au(≥0.10)Au(0.15-0.45)Cu(0.45-1.00)2TiN(≥0.10)Au(0.10)Ni(≥0.30)4Ti(≥0.15)Pd(≥0.10)Ni(0.30-1.00)5Ti(≥0.10)Cu(≥0.10)W(≥1.00)6Ti-W(0.10-0.30)Au(0.10-0.20)Ti-W(0.10-0.30)7Cu(0.10-0.20)3.3下填充技術(shù)如今，下填充技術(shù)正在從傳統(tǒng)的下填充技術(shù)工藝擴(kuò)展到無(wú)流動(dòng)下填充技術(shù)、注塑成型下填充技術(shù)和晶圓級(jí)下填充技術(shù)?？煽康牡寡b芯片封裝需要下填充技術(shù)，但工藝不兼容是大批量倒裝芯片焊接的瓶頸。因此，從某種意義上說(shuō)，下填充技術(shù)材料產(chǎn)生的高CTE也限制了封裝可靠性的提高。倒裝芯片鍵合與其他互連技術(shù)相比具有許多優(yōu)點(diǎn)，并且在許多應(yīng)用中都很有用。無(wú)流動(dòng)下填充技術(shù)工藝簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)的下填充技術(shù)工藝，將助焊劑加入下填充技術(shù)，去除毛細(xì)流動(dòng)，并將回流焊和下填充技術(shù)硬化結(jié)合在一個(gè)步驟中。然而，預(yù)沉積的下填充技術(shù)膠不能包含大量的二氧化硅填料。這是因?yàn)樘盍蠒?huì)影響焊點(diǎn)的可焊性。已經(jīng)開(kāi)發(fā)了各種方法來(lái)提高較低填料材料的抗裂剛度，使用較低Tg和較低模量的較低填料，并在其他工藝路線中加入填料以提高可靠性。實(shí)現(xiàn)固體注射成型下填充技術(shù)工藝需要仔細(xì)選擇材料、模型設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化。晶圓級(jí)下填充技術(shù)膠作為封裝制造的前端和后端的集合出現(xiàn)，為倒裝芯片鍵合工藝提供低成本且可靠的解決方案。目前，通過(guò)新材料開(kāi)發(fā)和各種工藝方法解決了諸如下填充技術(shù)沉積、帶有下填充技術(shù)的晶圓切割、保質(zhì)期、視覺(jué)識(shí)別、芯片放置和帶有下填充技術(shù)的焊料滲透等材料和工藝問(wèn)題。新開(kāi)發(fā)的填充納米二氧化硅的非流體下填充技術(shù)物顯示出巨大的潛力。注射成型下填充技術(shù)是下填充技術(shù)和二次成型的組合，特別適用于提高下填充技術(shù)毛細(xì)作用和生產(chǎn)效率的倒裝芯片焊接工藝。3.3.1常規(guī)下填充凸塊嵌件倒裝焊后，通常在嵌件下方進(jìn)行填充，但填充物與嵌件表面直接接觸，嵌件下方的間隙較小，增加了對(duì)填充物的要求。倒裝芯片焊接后的下填充技術(shù)可以顯著降低凸塊上的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力，與未填充相比，可靠性提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。表3.3芯片下填充材料性能要求性能指標(biāo)(參數(shù)在25C下測(cè)出)粘度n/(kPa.s)<20固體顆粒100%玻璃轉(zhuǎn)化溫度Tg/C>125CTEa/℃.<40X10-6斷裂強(qiáng)度σ/MPa>1.3彈性模量E/GPa>6~8填料粒度D/μm<15固化溫度Ts/C<150離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)(C1~)/(%)<20X10-6填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)/(%)<70貯存周期(-40°C下)>6個(gè)月放射性a粒子/[個(gè)/(h.cm")]<0.0005介電常數(shù)εr<4電阻率ρ/Ω·cm>1.0X1042耐蝕性可抗加工溶劑腐蝕大片下流動(dòng)性12.7mmX12.7mm芯片，<1min低吸濕性低酯性可靠性改進(jìn)10~100倍熱/濕可靠性>>2000h下填充技術(shù)材料和助焊劑之間的不相容性會(huì)導(dǎo)致封裝界面出現(xiàn)問(wèn)題并降低可靠性。同時(shí)，在烘箱中固化下填充技術(shù)膠通常需要很長(zhǎng)時(shí)間，并且需要額外的制造周期。由于空隙減少，清潔助焊劑可能很困難。最初，下填充技術(shù)技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了下填充技術(shù)技術(shù)和下填充技術(shù)材料的發(fā)展，將芯片倒裝芯片焊接到基板上后，下填充技術(shù)材料滴落，毛細(xì)作用力推動(dòng)芯片和基板之間的下填充技術(shù)材料吸進(jìn)了縫隙。毛細(xì)流動(dòng)通常很慢并且可能不完整。這會(huì)在封裝中產(chǎn)生空隙并導(dǎo)致樹(shù)脂/填料系統(tǒng)不均勻。所以，現(xiàn)在已經(jīng)采用各種工藝改進(jìn)方法來(lái)解決這些工藝問(wèn)題。(1)真空輔助式下填充真空輔助下填充技術(shù)技術(shù)可用于處理高度可靠的無(wú)空隙下填充技術(shù)層。操作是定義一個(gè)帶蓋的真空室，然后將滴針?lè)胖迷诩舛撕突逯g的間隙附近并抽空以幫助填充物的流動(dòng)。如圖3.12所示。圖3.12真空輔助式下填充示意圖(2)加壓式下填充與傳統(tǒng)的滴灌式下填相比，加壓下填減少了2-3個(gè)數(shù)量級(jí)的填充時(shí)間。采用專(zhuān)用模具封裝倒裝芯片組件，通過(guò)模具入口或板上的孔將下層填料在高溫和高溫下注入模腔。如圖3.13所示。圖3.13加壓式下填充示意圖（3）基板上開(kāi)小洞填充在基板的中心打一個(gè)小孔，從半導(dǎo)體芯片周?chē)蜗绿畛洳牧?，并流向芯片的中心，將可能通過(guò)板小孔堵塞的空氣排出。填充板子上的小孔通常是在芯片一側(cè)呈直線狀或在芯片兩側(cè)呈L形滴水，以防止空氣被阻塞。這種設(shè)計(jì)不僅減少了下填充技術(shù)時(shí)間，還有助于避免空隙并產(chǎn)生均勻的填充。如圖3.14所示。圖3.14基板上開(kāi)小孔的下填充示意圖(4)抬高式下填充抬起基板的一側(cè)，使倒裝芯片組件位于斜坡上。除了壓力和真空，下填充技術(shù)膠本身的重力也可以用來(lái)加速下填充技術(shù)膠的流動(dòng)。底部填料落到底板的凸起端上，可以在底板的另一端使用塞子，以防止底部填料溢出和溢出。如圖3.15所示。圖3.15抬高式下填充示意圖上述方法對(duì)傳統(tǒng)的下填充技術(shù)工藝進(jìn)行了改進(jìn)，解決了部分工藝問(wèn)題，但由于存在固有的較大缺陷，晶圓級(jí)下填充技術(shù)，注塑成型下填充技術(shù)以及非流動(dòng)下填充技術(shù)等倒裝芯片焊接填充技術(shù)逐漸出現(xiàn)。3.3.2晶圓級(jí)下填充晶圓級(jí)下填充是作為無(wú)流動(dòng)下填充技術(shù)的改進(jìn)概念提出的，并且需要另一個(gè)下填充滴落步驟。適用于凸塊或未焊接的晶圓。對(duì)于無(wú)凸塊晶圓，凸塊在切割之前產(chǎn)生，下填充物可用作凸塊模板。在下填充物半固化后，晶圓被切割成單獨(dú)的芯片，流程步驟如圖3.16所示。圖3.16晶圓級(jí)下填充工藝示意圖與液體下填充劑冷藏存儲(chǔ)不同，晶圓級(jí)下填充劑需要較長(zhǎng)的保質(zhì)期，用于包裝、運(yùn)輸和存儲(chǔ)芯片。目前，正在開(kāi)發(fā)各種沉積工藝，包括真空層壓、旋涂、模板印刷和絲網(wǎng)印刷。對(duì)于最初的液體，下填充物需要半固化以適應(yīng)后續(xù)加工，例如切割和儲(chǔ)存。晶圓級(jí)下填充物具有明確的材料和工藝要求。首先，需要固體下填充沉積（滴注）工藝。得到的下填充層必須具有高良率、良好的焊點(diǎn)形狀以及足夠的密度和均勻性，以實(shí)現(xiàn)相對(duì)一致的組裝工藝。一種方法是在沉積過(guò)程中使用溶劑，然后去除溶劑以半固化下填充膠。晶圓切割對(duì)下填充提出了另一個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)槲垂袒牟牧媳┞对谟糜诶鋮s的水中。當(dāng)用水潦草填充填料時(shí)，材料還必須具有優(yōu)良的機(jī)械性能以避免開(kāi)裂。3.3.3注模下填充注射下填充物用于倒裝芯片鍵合，采用轉(zhuǎn)模工藝，其中注射成型的化合物不僅填充芯片和基板之間的間隙，還封裝整個(gè)芯片。環(huán)氧樹(shù)脂模塑料(EMC)現(xiàn)在長(zhǎng)期用于組件封裝。其原理主要是封裝模具與下填充材料相結(jié)合的新思路，為注塑模具創(chuàng)造下填充。它利用了EMC，長(zhǎng)期以來(lái)，EMC已被證明可提供出色的封裝可靠性。與使用約50%（重量）二氧化硅的傳統(tǒng)下填充膠相比，注塑成型的下填充膠可承受高達(dá)80%（重量）的二氧化硅。由于填料含量高得多，CTE也同樣低。焊接接頭和電路板。一步結(jié)合下填充和模具旋轉(zhuǎn)具有減少加工時(shí)間和提高機(jī)械穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)。與使用傳統(tǒng)下填充劑相比，使用注塑成型下填充劑有望將生產(chǎn)效率提高約四倍。注塑填充特別適用于需要提高生產(chǎn)效率的倒裝芯片封裝。與傳統(tǒng)的注塑成型組合物相比，注塑成型還需要尺寸更小的填料，這也有助于降低材料的CTE。注塑成型在模型設(shè)計(jì)和注塑成型工藝方面與壓力下填充封裝非常相似，但使用的材料不是液體封裝，僅填充芯片和基板之間的間隙。不同之處在于整個(gè)組件是包覆成型的模壓復(fù)合材料。圖3.17顯示了下填充模壓封裝倒裝芯片球陣列(FCBGA)的設(shè)計(jì)。圖3.17注模下填充示意圖注塑溫度的上限是焊料的熔點(diǎn)，同時(shí)受合模力和注塑壓力的影響。如果注塑成型溫度再高又高，可能會(huì)損壞低Tg基板。因此，注射成型中填充工藝的重要工藝參數(shù)包括注射壓力、合模力和注射溫度。高溫注塑有助于降低注塑組合物的粘度，其具有良好的流動(dòng)特性并減少焊點(diǎn)上的應(yīng)力。接近熔化溫度(Tm)的溫度加上高注射壓力會(huì)熔化焊料或擦掉芯片。高注射壓力會(huì)導(dǎo)致凸塊裂紋和模具裂紋。注塑化合物的溢出會(huì)污染板上的其他焊盤(pán)或測(cè)試點(diǎn)。3.3.4非流動(dòng)下填充無(wú)流動(dòng)下填充工藝的主要特點(diǎn)是助焊劑和下填充的一體化。在無(wú)流動(dòng)下填充工藝中，傳統(tǒng)工藝的針尖組裝后不滴落下填充膠，而是將下填充膠置于針尖前方，將料滴應(yīng)用到板上。流程步驟如圖3.18所示。圖3.18非流動(dòng)下填充工藝示意圖使這種新工藝成功的無(wú)流動(dòng)下填充膠的兩個(gè)關(guān)鍵特性是其潛在的固化能力和助焊劑含量能力。然后將芯片對(duì)齊并放置在板上，然后在焊料熔化時(shí)由焊球焊接的焊料回流完成整個(gè)組裝。無(wú)流動(dòng)下填充工藝的特性要求下填充材料具有足夠的反應(yīng)潛伏期以保持低粘度，直到形成焊點(diǎn)為止。這種新的無(wú)流動(dòng)工藝提高了下填充工藝的生產(chǎn)率，主要是因?yàn)樵摴に嚵鞒滔藛为?dú)的助焊劑滴落和助焊劑清洗，避免了下填充毛細(xì)流動(dòng)并最終去除了焊料凸點(diǎn)。流動(dòng)和下填充固化的組合是單一的。因此，成功無(wú)流動(dòng)下填充工藝的關(guān)鍵是下填充材料。否則，凝膠狀的下填充劑會(huì)阻止熔融焊料塌陷到接觸區(qū)域，從而降低焊點(diǎn)的良率。非流動(dòng)填充的另一個(gè)重要特性是通量容量。傳統(tǒng)的倒裝芯片焊接工藝使用助焊劑來(lái)減少和去除焊料中的金屬氧化物，防止在高溫下再次氧化。與助焊劑的情況不同，在放置尖端之前會(huì)滴下無(wú)流動(dòng)的下填充劑。因此，下層填料必須具有自焊能力，以促進(jìn)焊錫潤(rùn)濕。為此目的開(kāi)發(fā)了一種可回流固化的聚合物助焊劑。去除后固化是因?yàn)樗念~外的離線工藝時(shí)間并增加工藝成本。許多用于環(huán)氧樹(shù)脂的潛在催化劑已被開(kāi)發(fā)用于無(wú)流動(dòng)下填充劑，例如CobaltI|(CoII)和戊烷作為潛在催化劑，為不流動(dòng)的下填充劑提供足夠的潛在固化能力。去做。金屬螯合物的優(yōu)勢(shì)不僅在于它們潛在的催化性能，還在于它們提供廣泛固化的能力。通過(guò)開(kāi)發(fā)不同的金屬離子和螯合物，可以調(diào)整不同環(huán)氧樹(shù)脂的固化特性，以匹配無(wú)鉛焊料凸點(diǎn)倒裝芯片的無(wú)流動(dòng)下填充。無(wú)鉛焊料的熔點(diǎn)通常高于共晶錫鉛焊料，因此無(wú)鉛凸塊倒裝芯片的無(wú)流動(dòng)下填充需要更高的固化潛力，以確保接觸區(qū)域中無(wú)鉛焊料的潤(rùn)濕。非流動(dòng)填充也有一些固有的缺點(diǎn)，例如無(wú)法獲得具有高填料含量的材料。然而，無(wú)流動(dòng)下填充方法消除了毛細(xì)現(xiàn)象，將助焊劑、回流焊和下填充硬化集成為一個(gè)步驟，大大簡(jiǎn)化了下填充工藝。3.4倒裝技術(shù)倒裝芯片技術(shù)主要包括熱壓鍵合、熔焊、粘合劑鍵合和熱超聲鍵合。為了滿足倒裝芯片的可靠性需求，必須針對(duì)不同的凸塊材料選擇不同的倒裝芯片組裝技術(shù)。3.4.1熱壓焊接在這個(gè)過(guò)程中，芯片或基板上的凸塊是金凸塊（通過(guò)電鍍、濺射、氣相沉積或螺柱凸塊制備）和一個(gè)表面（如電鍍）或一層可以連接的濺射/氣相沉積金到顛簸。這種方法的缺點(diǎn)是只適用于熱壓壓力高的剛性基板（氧化鋁、硅等），熱壓頭必須有很高的平行對(duì)準(zhǔn)精度，基板的平整度也必須保證。優(yōu)點(diǎn)是工藝溫度低，無(wú)需助焊劑，工藝簡(jiǎn)單，連接間距小。與熔焊工藝不同，熱壓焊接工藝不僅加熱芯片凸塊，而且施加恒定壓力。熱壓焊的溫度一般在300℃左右，可以使材料完全軟化，在連接過(guò)程中促進(jìn)擴(kuò)散，保證連接。為避免對(duì)半導(dǎo)體造成不必要的損壞，材料、設(shè)備所施加的壓力必須具有精確的梯度控制能力。3.4.2熔焊焊料可用于電路板焊盤(pán)、芯片凸塊邊緣或用作焊球?；迳系暮稿a可以通過(guò)刷焊膏再回流形成或者，它可以通過(guò)電鍍、濺射和蒸發(fā)獲得。銅凸點(diǎn)和熱焊料凸點(diǎn)上的焊料通常是電鍍的。高密度倒裝凸塊主要采用電鍍、濺射、氣相沉積等方法制造，而密度低（如間距≥0.4mm）和少量凸塊則采用焊膏印刷后回流。將被或?qū)⒈恢苯邮褂?。焊盤(pán)浸泡在助焊劑中并通過(guò)回流焊制備。這是最具成本效益的制造方法，并且必須根據(jù)需要清潔殘余助焊劑，以確保下填充技術(shù)的質(zhì)量。3.4.3膠粘連接導(dǎo)電膠連接是替代鉛錫焊接連接的可行方法。導(dǎo)電膠連接保持封裝結(jié)構(gòu)輕薄，不會(huì)顯著增加成本，工藝簡(jiǎn)單，固化溫度低，可以在連接后進(jìn)行清洗。有兩種類(lèi)型的導(dǎo)電粘合劑，各向同性和各向異性。各向異性導(dǎo)電膠是一種糊狀或薄膜狀的熱塑性環(huán)氧樹(shù)脂，含有一定量的金屬顆?；蚪饘侔驳木酆衔镱w粒。在連接之前，導(dǎo)電粒子在各個(gè)方向上都是絕緣的，但在夾層連接處變成導(dǎo)電的。各向同性導(dǎo)電膠是一種膏狀聚合物樹(shù)脂，添加了特定的導(dǎo)電顆粒，可以全方位導(dǎo)電。適用于使用要求不高時(shí)更換焊錫。最好的材料時(shí)黃金，與鉛錫焊料相比，導(dǎo)電膠的導(dǎo)熱率較低，比鉛錫焊料差。3.4.4超聲熱壓焊熱超聲倒裝芯片連接的可靠性受到基板和芯片之間的熱膨脹系數(shù)(TEC)不匹配的影響。同時(shí)，焊點(diǎn)的高度和最大焊點(diǎn)距離也會(huì)影響可靠性。熱超聲鍵合是將超聲波應(yīng)用于熱壓鍵合以加快焊接過(guò)程。超聲波的引入使連接材料迅速軟化，促進(jìn)塑性變形。缺點(diǎn)是過(guò)度的超聲波振動(dòng)會(huì)在硅片上形成小坑。優(yōu)點(diǎn)是可以降低連接溫度，縮短加工時(shí)間。這種方法主要適用于金凸點(diǎn)和鍍金焊盤(pán)的組合。連接中的大部分裂紋發(fā)生在焊接連接過(guò)程中從高溫冷卻的過(guò)程中。如果熱循環(huán)期間的應(yīng)力不超過(guò)凸塊焊盤(pán)連接的強(qiáng)度，則可靠性問(wèn)題不大。由于金的熔化溫度高，它對(duì)疲勞損傷的敏感性遠(yuǎn)低于普通焊料凸點(diǎn)。4總結(jié)及展望4.1總結(jié)隨著集成電路（IC）制造的快速發(fā)展以及更快、更輕、