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FC封裝之倒裝芯片凸點工藝與倒裝芯片封裝清洗介紹

合明科技 ?? 2971 Tags:

倒裝芯片凸點工藝

芯片凸點是FC互連中的關鍵組成部分之一,具有在芯片與基板間形成電連接、形成芯片與基板間的結構連接以及為芯片提供散熱途徑三個主要功能。

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1、凸點下金屬化層  


在芯片表面金屬層上制備芯片凸點時,為了防止封裝中的金屬及污染離子向芯片表面金屬層擴散造成腐蝕或形成硬脆的金屬間化合物(Intermetallic Compound,IMC),降低互連系統的可靠性,需要在芯片表面金屬層與芯片凸點之間添加凸點下金屬化層(Under Bump Metallurgy,UBM)結構作為過渡層。如圖3所示,UBM結構包括覆蓋在芯片金屬層上的粘接層、阻擋層、潤濕層和抗氧化層。


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其中,粘接層能夠增強凸點和芯片金屬化層、芯片鈍化層之間的粘接力,提供牢固的鍵合界面,典型的粘接層材料有Cr、Ti、Ni、W、TiW和鋅酸鹽等。

阻擋層的作用是防止金屬、污染離子向芯片金屬層和粘接層擴散,阻擋層材料常采用Cr、W、Ti、TiW、Ni或Cr-Cu。阻擋層上面是潤濕層,可以為其上的凸點提供潤濕對象,與凸點發生反應生成IMC并形成鍵合,典型的潤濕層金屬有Cu、Ni、Pd和Pt。UBM的最外層是可選擇使用的抗氧化層,目的是防止潤濕層的氧化,主要材料為很薄的Au層。

UBM的制作主要由物理氣相沉積(Physical Vapor Deposition,PVD)工藝完成,PVD可分為蒸鍍(Evaporation)和濺射(Sputtering)兩種,前者利用高溫將金屬熔融蒸發后鍍覆于晶圓上,后者利用高速粒子沖擊靶材激發出的靶材表面原子或分子落在晶圓上,兩種工藝均需在真空條件下完成。考慮到蒸鍍成本較高,目前UBM多數由濺射工藝制作。

2、C4凸點  


最早的FC晶圓C4凸點制造技術是IBM公司開發的蒸鍍工藝,目前最常用的方法是電化學沉積或電鍍工藝。

芯片凸點的蒸鍍工藝流程如下:將鉬掩模板對中至晶圓,在晶圓上蒸鍍UBM層后進行焊料的蒸鍍,隨后移去掩模板,最后通過回流焊使焊料成為光滑的球型。

蒸鍍工藝的缺點是蒸鍍工藝較低的材料利用率增加了成本,同時蒸鍍工藝得到的凸點節距較大,較難應用于細節距芯片。

芯片凸點的電化學沉積或電鍍工藝如圖4(a)所示,采用濺射方法沉積UBM,然后在UBM層上涂覆光刻膠,使用掩模板進行紫外線曝光,定義凸點的位置和形狀,在凸點位置電鍍一層Cu作為潤濕層,然后電鍍焊料,剝離光刻膠并用過氧化氫或等離子蝕刻去除其他位置多余的UBM,最后對晶圓進行回流,在表面張力的作用下形成光滑的球型C4焊料凸點。

電鍍工藝進行焊料凸點制作的成本效益好、良率高、速度快且凸點密度高。焊料還可以通過焊膏的絲網印刷工藝來實現,沉積UBM后,使用自動漏印板或絲網印刷結合精密漏印板,對特制的焊膏進行刮板印刷得到焊料圖形,并采用回流焊的方式使焊料凸點變為球型。這種方法雖然成本較低,但是所得凸點的形狀粗糙,且無法制作細節距凸點。

焊料凸點的材料可以被分為三種:熔點超過250℃的高溫焊料(95%Pb-5%Sn與97%Pb-3%Sn等)、熔點為200℃~250℃的中溫焊料(96.5%Sn-3.0%Ag-0.5%Cu,99%Sn-0.3%Ag-0.7%Cu與96.5%Sn-3.5%Ag等)以及熔點低于200℃的低溫焊料(37%Pb-63%Sn共晶,42%Sn-58%Bi共晶以及48%Sn-52%In等)。

C4工藝可以達到較薄封裝外形和較高引腳密度的要求,且具有電性能優良以及凸點芯片可返修等優點。此外,C4焊料凸點在熔融過程中的表面張力還可以幫助焊料與金屬層進行自對準,在一定程度上降低了對沉積精度及貼片精度的要求,一般C4凸點芯片的焊料回流焊凸點節距可以小至50μm。

在進行芯片與基板之間鍵合的過程中,大多數C4凸點采用的鍵合方法為回流焊工藝。涂敷助焊劑后,將FC表面向下對齊貼裝至底部芯片或基板,進行回流焊。

回流焊工藝過程中,焊料融化并潤濕底部芯片或基板的技術層,表面張力作用下FC和底部芯片或基板發生自對準并形成冶金結合。冶金結合的過程即焊料與金屬層發生反應生成穩定的IMC的過程,Cu6Sn5與Cu3Sn是鍵合過程中最常見的IMC,產生于Sn基焊料與Cu發生反應時。

3、Cu柱凸點      



隨著IC集成度的提高,芯片凸點需要滿足細節距以及極細節距芯片的要求。而C4凸點回流后呈球型,尺寸較大,在節距較小時容易發生短路。因此,需要使用其他技術進行細節距芯片的凸點制作,C2(Chip Connection)技術是其中的主流技術之一。

C2技術中使用的Cu柱直徑不受高度影響,可以實現更細節距凸點的制備,Cu柱可以分為不帶焊料帽以及帶焊料帽的Cu柱。C2凸點的制造工藝基本與C4凸點相同,如圖4(b)所示,只不過電鍍過程中不再是電鍍焊料而改為電鍍Cu。

在帶焊料帽Cu柱制造過程中,除了電鍍Cu還會在Cu柱上再電鍍一層厚度較薄的焊料帽。因為Cu的熱導率(400W/m·k)和電阻率(0.0172μΩ·m)都優于焊料(55W/m·k~60W/m·k和0.12μΩ·m~0.14μΩ·m),因此與C4 技術相比,C2凸點有更好的電性能、熱性能和力學性能。

但是由于C2凸點的焊料體積非常小,甚至在不帶焊帽的Cu柱凸點中沒有焊料的存在,C2凸點的表面張力不足以執行Cu柱與焊帽的自對準,故C2凸點的自對準性不如C4 焊料凸點。


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C2凸點的回流焊鍵合工藝過程與C4相同,涂敷助焊劑后,將FC對齊至底部芯片或基板,隨后通過回流焊進行鍵合,C2回流焊凸點的間距可以小至25μm。

近年來,具有C2凸點的芯片向硅、陶瓷或有機封裝基板的熱壓鍵合成為研究熱點。C2凸點熱壓鍵合過程如下:在焊料蓋、基板或兩者表面都涂覆助焊劑,隨后將FC拾取并對準放置在基板上,施加溫度熔化焊料的同時,施加較小的壓力將芯片固定在離底部芯片或基板一定距離的位置。

與回流焊相比,C2凸點的熱壓鍵合只能進行單個芯片的封裝,因此封裝效率較低,但是這種封裝方法可以使芯片上的Cu柱間距小至8μm。

不帶焊帽的Cu柱還可以采用Cu對Cu直接鍵合的方法進行鍵合,Cu-Cu擴散鍵合可以滿足超細節距和超小焊盤尺寸的要求,焊盤間距小至5μm。為了減少氧化物生成對鍵合質量和可靠性的影響,Cu-Cu鍵合通常使用熱壓鍵合的方法在高溫(約400°C)、高壓和長時間(60min~120min)下進行,這對封裝的效率和可靠性都非常不利。

Cu-Cu鍵合也可以在室溫下進行,但室溫鍵合在提高封裝效率、降低成本的同時,也必須滿足焊盤/布線/晶圓的平面化、保證鍵合表面平整及非常高的潔凈室等級等要求,才能獲得高質量鍵合。Cu-Cu鍵合目前主要用于晶圓對晶圓(Wafer to Wafer,W2W)組裝,還沒有大規模生產及應用。

4、FC芯片封裝清洗的污染物與清洗劑選擇:

水基清洗的工藝和設備配置選擇對清洗精密器件尤其重要,一旦選定,就會作為一個長期的使用和運行方式。水基清洗劑必須滿足清洗、漂洗、干燥的全工藝流程。

污染物有多種,可歸納為離子型和非離子型兩大類。離子型污染物接觸到環境中的濕氣,通電后發生電化學遷移,形成樹枝狀結構體,造成低電阻通路,破壞了電路板功能。非離子型污染物可穿透PC B 的絕緣層,在PCB板表層下生長枝晶。除了離子型和非離子型污染物,還有粒狀污染物,例如焊料球、焊料槽內的浮點、灰塵、塵埃等,這些污染物會導致焊點質量降低、焊接時焊點拉尖、產生氣孔、短路等等多種不良現象。

這么多污染物,到底哪些才是最備受關注的呢?助焊劑或錫膏普遍應用于回流焊和波峰焊工藝中,它們主要由溶劑、潤濕劑、樹脂、緩蝕劑和活化劑等多種成分,焊后必然存在熱改性生成物,這些物質在所有污染物中的占據主導,從產品失效情況來而言,焊后殘余物是影響產品質量最主要的影響因素,離子型殘留物易引起電遷移使絕緣電阻下降,松香樹脂殘留物易吸附灰塵或雜質引發接觸電阻增大,嚴重者導致開路失效,因此焊后必須進行嚴格的清洗,才能保障電路板的質量。

合明科技研發的水基清洗劑配合合適的清洗工藝能為芯片封裝前提供潔凈的界面條件。

合明科技運用自身原創的產品技術,滿足芯片封裝工藝制程清洗的高難度技術要求,打破國外廠商在行業中的壟斷地位,為芯片封裝材料全面國產自主提供強有力的支持。

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