倒裝芯片技術(shù)

2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@1電子制造技術(shù)基礎(chǔ)吳豐順博士/教授武漢光電國(guó)家實(shí)驗(yàn)室光電材料與微納制造部華中科技大學(xué)材料學(xué)院2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@2

倒裝芯片(FlipChip)技術(shù)2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@3第一部分倒裝芯片簡(jiǎn)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(guò)3到5個(gè)密耳(mil)厚的焊料凸點(diǎn)連接到芯片載體上，底部填充材料用來(lái)保護(hù)焊料凸點(diǎn).2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@5什么是倒裝芯片？

倒裝芯片組裝就是通過(guò)芯片上的凸點(diǎn)直接將元器件朝下互連到基板、載體或者電路板上。而導(dǎo)線鍵合是將芯片的面朝上。 倒裝芯片元件是主要用于半導(dǎo)體設(shè)備；而有些元件，如無(wú)源濾波器，探測(cè)天線，存儲(chǔ)器裝備也開(kāi)始使用倒裝芯片技術(shù)，由于芯片直接通過(guò)凸點(diǎn)直接連接基板和載體上，因此，更確切的說(shuō)，倒裝芯片也叫DCA（DirectChipAttach）。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@6三種晶片級(jí)互連方法2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@7倒裝芯片歷史IBM1960年研制開(kāi)發(fā)出在芯片上制作凸點(diǎn)的倒裝芯片焊接工藝技術(shù)。95Pb5Sn凸點(diǎn)包圍著電鍍NiAu的銅球。后來(lái)制作PbSn凸點(diǎn)，使用可控塌焊連接（ControlledcollapseComponentConnection,C4），無(wú)銅球包圍。Philoc－ford等公司制作出Ag－Sn凸點(diǎn)Fairchield——Al凸點(diǎn)Amelco——Au凸點(diǎn)目前全世界的倒裝芯片消耗量超過(guò)年60萬(wàn)片，且以約50％的速度增長(zhǎng)，3％的圓片用于倒裝芯片凸點(diǎn)。幾年后可望超過(guò)20％。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@8為什么使用倒裝芯片?

倒裝芯片技術(shù)的興起是由于與其他的技術(shù)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(shì)。今天倒裝芯片廣泛用于電子表，手機(jī)，便攜機(jī)，磁盤、耳機(jī)，LCD以及大型機(jī)等各種電子產(chǎn)品上。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@9優(yōu)點(diǎn)－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(qiáng):

使用倒裝芯片能增加I/O的數(shù)量。I/O不像導(dǎo)線鍵合中出于四周而收到數(shù)量的限制。面陣列使得在更小的空間里進(jìn)行更多信號(hào)、功率以及電源等地互連。一般的倒裝芯片焊盤可達(dá)400個(gè)。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@10優(yōu)點(diǎn)－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(hào)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(shù)。提高了散熱熱能力：倒裝芯片沒(méi)有塑封，芯片背面可進(jìn)行有效的冷卻。低成本：批量的凸點(diǎn)降低了成本。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@11I/O數(shù)比較倒裝芯片與扁平封裝的引腳數(shù)比較2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@12信號(hào)效果比較2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@13缺點(diǎn)－01

裸芯片很難測(cè)試凸點(diǎn)芯片適應(yīng)性有限隨著間距地減小和引腳數(shù)的增多導(dǎo)致PCB技術(shù)面臨挑戰(zhàn)必須使用X射線檢測(cè)設(shè)備檢測(cè)不可見(jiàn)的焊點(diǎn)和SMT工藝相容性較差2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@14缺點(diǎn)－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(shí)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(diǎn)底部金屬化(UBM)第二步：芯片凸點(diǎn)第三步：將已經(jīng)凸點(diǎn)的晶片組裝到基板／板卡上第四步：使用非導(dǎo)電材料填充芯片底部孔隙2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@16第一步：凸點(diǎn)下金屬化

（UBM，underbumpmetallization）2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@17第二步:回流形成凸點(diǎn)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(diǎn)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(jié)構(gòu)基本特點(diǎn)都是芯片面朝下，而連接則使用金屬凸點(diǎn)。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(diǎn)高度更小的晶片器件與基板的熱膨脹系數(shù)（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(guò)焊料焊接－01焊料沉積在基板焊盤上： 對(duì)于細(xì)間距連接，焊料通過(guò)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(guò)直接涂覆到基板上或者用芯片凸 點(diǎn)浸入的方法來(lái)保證粘附。 對(duì)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(diǎn)放置于沉積了焊膏或者焊劑的焊盤上，整個(gè) 基板浸入再流焊爐。清洗

：焊劑殘留。測(cè)試：由于固化后不能維修，所以在填充前要進(jìn)行測(cè)試。底部填充：

通過(guò)擠壓將低粘度的環(huán)氧類物質(zhì)填充到芯片底部，然 后加熱固化。倒裝芯片工藝：通過(guò)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(guò)熱壓焊接

在熱壓連接工藝中，芯片的凸點(diǎn)是通過(guò)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(diǎn)為金凸點(diǎn)，同時(shí)還要有一個(gè)可與凸點(diǎn)連接的表面，如金或鋁。對(duì)于金凸點(diǎn)，一般連接溫度在300°C左右，這樣才能是材料充分軟化，同時(shí)促進(jìn)連接過(guò)程中的擴(kuò)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(jìn)行適當(dāng)?shù)亟饘倩?，例如鍍金，以便于?shí)現(xiàn)連接。另外，基板應(yīng)該非常平整。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@32凸點(diǎn)熱壓倒裝芯片連接最合適的凸點(diǎn)材料是金，凸點(diǎn)可以通過(guò)傳統(tǒng)的電解鍍金方法生成，或者采用釘頭凸點(diǎn)方法，后者就是引線鍵合技術(shù)中常用的凸點(diǎn)形成工藝。由于可以采用現(xiàn)成的引線鍵合設(shè)備，因此無(wú)需配備昂貴的凸點(diǎn)加工設(shè)備，金引線中應(yīng)該加入1%的Pd，這樣便于卡斷凸點(diǎn)上部的引線。凸點(diǎn)形成過(guò)程中，晶圓或者基板應(yīng)該預(yù)熱到150～200°C。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@33釘頭金凸點(diǎn)

SBB（StudBondBump）2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@34釘頭金凸點(diǎn)制作GoldwireGoldballCoining(level)WirebreakingBallbondingGoldstudGoldstudbump2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@35Coining(level)FlattailbumpRaisedcrossbumpCrossedslotsbumpVariationStackedbump釘頭金凸點(diǎn)制作2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@36若干問(wèn)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(yīng)該考慮采用其它替代方法。大多數(shù)不采用焊接的倒裝芯片技術(shù)中，芯片是采用導(dǎo)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(diǎn)是：簡(jiǎn)單，無(wú)需使用焊劑工藝溫度低可以實(shí)現(xiàn)細(xì)間距連接2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@37若干問(wèn)題

對(duì)于直徑為80mm的凸點(diǎn)，熱壓壓力可以達(dá)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(duì)準(zhǔn)精度。為了避免半導(dǎo)體材料受到不必要的損害，施加壓力時(shí)應(yīng)該有一定的梯度。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@38

與一般的焊點(diǎn)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(shù)(CTE)失配的影響，此外焊點(diǎn)的高度、焊點(diǎn)之間的最大間距亦會(huì)對(duì)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(lái)的過(guò)程中產(chǎn)生的?？煽啃?023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@39

由于金的熔點(diǎn)溫度高，因此它對(duì)疲勞損傷的敏感程度遠(yuǎn)小于焊料。因此，如果在熱循環(huán)中應(yīng)力沒(méi)有超過(guò)凸點(diǎn)與焊盤之間的連接強(qiáng)度，那么可靠性不會(huì)存在太大問(wèn)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(méi)有底部填充，則熱疲勞將是倒裝芯片主要的可靠性問(wèn)題?？煽啃?023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@40

倒裝芯片的連接頭應(yīng)該能夠產(chǎn)生300°C的連接溫度，要有較高的平行對(duì)準(zhǔn)精度，為了防止半導(dǎo)體材料發(fā)生損傷，施加壓力時(shí)應(yīng)該保持一定的梯度。在熱壓倒裝芯片連接中，凸點(diǎn)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(yīng)該盡可能低，以免芯片和基板損壞。生產(chǎn)問(wèn)題2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@41GaAs器件的熱壓倒裝芯片連接工藝參數(shù)曲線工藝參數(shù)曲線2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@42倒裝芯片工藝—通過(guò)熱聲焊接

熱聲倒裝芯片連接是將超聲波應(yīng)用在熱壓連接中，這樣可以使得焊接過(guò)程更加快速。超聲能量是通過(guò)一個(gè)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(shí)現(xiàn)塑性變形。熱聲連接的優(yōu)點(diǎn)是可以降低連接溫度，縮短加工處理的時(shí)間。熱聲倒裝芯片連接的缺點(diǎn)是可能在硅片上形成小的凹坑，這主要是由于超聲震動(dòng)過(guò)強(qiáng)造成的。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@43

可靠性

與一般的焊點(diǎn)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(shù)(CTE)失配的影響，此外焊點(diǎn)的高度、焊點(diǎn)之間的最大間距亦會(huì)對(duì)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(lái)的過(guò)程中產(chǎn)生的。由于金的熔點(diǎn)溫度高，因此它對(duì)疲勞損傷的敏感程度遠(yuǎn)小于焊料。因此，如果在熱循環(huán)中應(yīng)力沒(méi)有超過(guò)凸點(diǎn)與焊盤之間的連接強(qiáng)度，那么可靠性不會(huì)存在太大問(wèn)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(méi)有底部填充，則熱疲勞將是倒裝芯片主要的可靠性問(wèn)題。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@44

生產(chǎn)問(wèn)題

熱聲倒裝芯片連接發(fā)展迅猛，但是它卻是一個(gè)高風(fēng)險(xiǎn)的選擇。該工藝需要將壓力、溫度、超聲震動(dòng)、平整性等綜合起來(lái)考慮，因此整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)非常復(fù)雜。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@45熱聲倒裝芯片連接的優(yōu)點(diǎn)

工藝簡(jiǎn)單擴(kuò)大了連接材料的選擇范圍降低加工溫度、減小壓力、縮短時(shí)間2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@46倒裝芯片工藝—通過(guò)粘膠連接

導(dǎo)電膠連接是取代鉛錫焊料連接的可行方法，導(dǎo)電膠連接既保持了封裝結(jié)構(gòu)的輕薄，成本也沒(méi)有顯著增加。該工藝的優(yōu)點(diǎn)是：工藝簡(jiǎn)單固化溫度低連接后無(wú)需清洗2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@47

各向異性導(dǎo)電膠是膏狀或者薄膜狀的熱塑性環(huán)氧樹(shù)脂，加入了一定含量的金屬顆?；蚪饘偻扛驳母叻肿宇w粒。在連接前，導(dǎo)電膠在各個(gè)方向上都是絕緣的，但是在連接后它在垂直方向上導(dǎo)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(dǎo)電膠是一種膏狀的高分子樹(shù)脂，加入了一定含量的導(dǎo)電顆粒，因此在各個(gè)方向上都可以導(dǎo)電。通常高分子樹(shù)脂為環(huán)氧樹(shù)脂，導(dǎo)電顆粒為銀。各向同性、各向異性導(dǎo)電膠2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@48

倒裝芯片導(dǎo)電膠連接示意圖2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@49倒裝芯片的非導(dǎo)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(shuō)，非導(dǎo)電膠粘接的可靠性非常高，因?yàn)樗惯B接表面積減小到最低限度，但實(shí)際上它的可靠性并不高，而且對(duì)某些工藝條件的要求比導(dǎo)電膠連接更加苛刻。比較2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@50

采用導(dǎo)電膠連接的倒裝技術(shù)要求在焊盤上形成導(dǎo)電凸點(diǎn)，最適宜的凸點(diǎn)材料為金。各向同性導(dǎo)電膠本身也可以作為凸點(diǎn)材料，此時(shí)應(yīng)避免使鋁表面的金屬化層接觸到粘性凸點(diǎn)，因?yàn)殇X很容易氧化，最終將形成不導(dǎo)電的連接。凸點(diǎn)2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@51各向同性導(dǎo)電膠形成的凸點(diǎn)的SEM照片凸點(diǎn)形貌2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@52

與鉛錫焊料相比，導(dǎo)電膠(無(wú)論是各向同性還是各向異性)都是熱的不良導(dǎo)體，但是采用導(dǎo)電膠并不會(huì)使元件的熱阻增加多少，因?yàn)樵?nèi)產(chǎn)生的熱量?jī)H有少量通過(guò)倒裝芯片的連接接點(diǎn)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(shuō)，導(dǎo)電膠的導(dǎo)電性能也比鉛錫焊料差，各向同性導(dǎo)電膠倒裝芯片連接點(diǎn)的電阻為幾毫歐，而電感、電容的數(shù)值則沒(méi)有文獻(xiàn)報(bào)道過(guò)。信號(hào)傳輸2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@54釘頭凸點(diǎn)導(dǎo)電膠連接技術(shù)2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@55倒裝芯片失效原因——魚(yú)骨圖2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@56第二部分凸點(diǎn)及其制作2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@57凸點(diǎn)的制作UBM凸點(diǎn)形成2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@58對(duì)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(jié)合力：

Al是最常見(jiàn)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(méi)有針孔是很重要的，否則就會(huì)在UBM的過(guò)程中產(chǎn)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(guò)濺射或者化學(xué)刻蝕的方法去除焊區(qū)表面的Al氧化物。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@59對(duì)UBM的要求－02

要有焊料擴(kuò)散阻擋層：必須在焊料與焊盤焊區(qū)金屬之間提供一個(gè)擴(kuò)散阻擋層要有一個(gè)可以潤(rùn)濕焊料的表面：最后一層要直接與凸點(diǎn)接觸，必須潤(rùn)濕凸點(diǎn)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(diǎn)的形成過(guò)程中氧化。對(duì)硅片產(chǎn)生較小的應(yīng)力：

UBM結(jié)構(gòu)不能在底部與硅片產(chǎn)生很大的應(yīng)力，否則會(huì)導(dǎo)致底部的開(kāi)裂以及.硅片的凹陷等可靠性失效。對(duì)UBM的要求－032023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@61UBM結(jié)構(gòu)示意圖2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@62UBM結(jié)構(gòu)－01UBM一般由三層薄膜組成:1、粘附以及擴(kuò)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(jié)構(gòu)——022焊料潤(rùn)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(xiàn)了很多的UBM結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)對(duì)本身的可靠性影響很大，據(jù)報(bào)道Ti/Cu/Ni(化學(xué)鍍Ni)的UBM比Ti/Cu的粘附結(jié)合力要強(qiáng)。

UBM的結(jié)構(gòu)也影響它與焊區(qū)金屬、它與凸點(diǎn)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(diǎn)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(rùn)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?yàn)镃u與Sn反應(yīng)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(rùn)濕。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@66層次組合特點(diǎn)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(guò)照相平版技術(shù)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(guò)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?？捎糜趯?duì)應(yīng)的凸點(diǎn)的形成之中?；瘜W(xué)鍍:采用化學(xué)鍍的方法在Al焊盤上選擇性地鍍Ni。常常用鋅酸鹽工藝對(duì)Al表面進(jìn)行處理。無(wú)需真空及圖樣刻蝕設(shè)備，低成本。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@68常見(jiàn)的UBM方法UBM形成方法－化學(xué)鍍鎳方法2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@69化學(xué)鍍鎳

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

無(wú)定形化學(xué)鍍鎳層中沒(méi)有晶界，無(wú)法形成擴(kuò)散的通道，所以是一層良好的擴(kuò)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(diǎn)的可靠性明顯提高。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@71化學(xué)鍍鎳特點(diǎn)——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(xué)鍍鎳的方法形成凸點(diǎn)時(shí)，通常鎳凸點(diǎn)要與導(dǎo)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(xué)鍍鎳前處理由于鋁焊盤表面有一層氧化物，鍍層金屬無(wú)法粘附在這樣的表面上，因此要對(duì)鋁表面進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚硪郧宄趸飳?。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(shù)是在鋁的表面沉積一層鋅，以防止鋁發(fā)生氧化，該技術(shù)的反應(yīng)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(nèi)盛有強(qiáng)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(yīng)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(dǎo)致不均勻、粗糙的鍍鎳結(jié)果2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@78第二輪鍍鋅上述問(wèn)題可以通過(guò)二次鍍鋅來(lái)解決，在該過(guò)程中，前次形成的鋅層被稀釋的硝酸腐蝕掉，然后再進(jìn)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(gè)缺點(diǎn)就是鋁也會(huì)被鍍液腐蝕掉，二次鍍鋅工藝中尤其嚴(yán)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(yīng)該大于1mm。在鍍鋅過(guò)程中，鋅沉積在鋁表面，而同時(shí)鋁及氧化鋁層則被腐蝕掉。鋅保護(hù)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(shí)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(jìn)行化學(xué)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(yīng)原理見(jiàn)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(zhǎng)，則那些未經(jīng)鈍化的硅表面也會(huì)有鎳形成，但是這種連接非常不牢固，很容易脫落，從而在細(xì)間距電路中引起短路。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@81其它鋁焊盤處理技術(shù)－01鈀活化工藝：

該工藝是在鋁上鍍一層鈀。首先，鋁經(jīng)過(guò)清洗和腐蝕去除表面氧化物，該過(guò)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(xué)鍍鎳的溶液中進(jìn)行化學(xué)鍍。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@82其它鋁焊盤處理技術(shù)－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(shí)現(xiàn)對(duì)鋁表面的預(yù)處理。該工藝首先也是要對(duì)鋁表面進(jìn)行清洗和腐蝕，然后將鋁浸入置換鍍槽中，之后再浸入化學(xué)鍍槽中鍍鎳。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@83其它鋁焊盤處理技術(shù)－03直接鍍鎳工藝：在該工藝中，采用活性劑來(lái)清除經(jīng)過(guò)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(diǎn)技術(shù)－01

凸點(diǎn)常用的材料是Pb/Sn合金，因?yàn)槠浠亓骱柑匦匀缱灾行淖饔靡约昂噶舷侣涞?。自中心作用減小了對(duì)芯片貼放的精度要求。下落特點(diǎn)減小了共面性差的問(wèn)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(diǎn)技術(shù)——02

根據(jù)芯片的其它部分、有機(jī)基板等的工作溫度要求，開(kāi)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(diǎn)方法將簡(jiǎn)介討論7中常見(jiàn)的凸點(diǎn)形成辦法:蒸鍍焊料凸點(diǎn),電鍍焊料凸點(diǎn),印刷焊料凸點(diǎn),釘頭焊料凸點(diǎn)放球凸點(diǎn)焊料轉(zhuǎn)移凸2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@871、蒸鍍凸點(diǎn)2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@88蒸鍍凸點(diǎn)步驟示意圖2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@89步驟－011、現(xiàn)場(chǎng)對(duì)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(shí)使得硅片鈍化層以及焊盤表面粗糙以提高對(duì)UBM的結(jié)合力。2、金屬掩模：常常用帶圖樣的鉬金屬掩模來(lái)覆蓋硅片以利于UBM以及凸點(diǎn)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(gòu)成。硅片被夾在背板與金屬模板之間，然后通過(guò)手動(dòng)對(duì)位.對(duì)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(gè)圓錐臺(tái)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(xiě)為“E3”。這層薄薄的蓋子允許器件連接到有機(jī)板上而不用在施加共晶焊料。這是因?yàn)楦咩U焊料在300°C回流，而不適合于有機(jī)基板。于是焊接時(shí)可只回流上面的錫鉛共晶，而不將凸點(diǎn)熔化。5、凸點(diǎn)成球（d）：在C4工藝中，凸點(diǎn)回流成球狀。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@922、電鍍凸點(diǎn)

電鍍是一個(gè)比較流行的工藝，其設(shè)備成本低、設(shè)施占地少，有很多的電鍍工藝可以采用。傳統(tǒng)的電鍍沿用蒸鍍使用的Cr/Cr-Cu/Cu結(jié)構(gòu)的UBM和使用高鉛合金。如果采用高錫合金，Sn會(huì)很快消耗Cu而破壞結(jié)構(gòu)的完整性。于是為了沉積共晶焊料，往往在UBM的結(jié)構(gòu)中，Ti/W作為結(jié)合層，其上有一層Cu的潤(rùn)濕層。而且潤(rùn)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(jié)構(gòu)公司有：德州儀器、摩托羅拉、國(guó)家半導(dǎo)體、沖電氣（OKI）等公司。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@93電鍍凸點(diǎn)橫截面示意圖2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@94電鍍凸點(diǎn)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(gè)硅片上。理論上講，UBM層提供了一個(gè)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(jié)構(gòu)，施加掩模（b），沉積一定高度的Cu和Au（c），一般凸點(diǎn)總體高度為85mmto100mm時(shí)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(diǎn)（d）。當(dāng)凸點(diǎn)形成之后，掩模被剝離（e）。暴露在外的UBM在一到兩天內(nèi)刻蝕掉。4、回流成球：回流后利于凸點(diǎn)在UBM去除時(shí)候不被破壞見(jiàn)圖（f）。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@97ElectroplatingSolderBumpingProcess

電鍍焊球凸點(diǎn)工藝ProcessFlowofElectroplatingSolderBump電鍍焊球凸點(diǎn)工藝流程

ChipPRopeningChipElectroplatedsolderbumpMushrooming2.SputterUnderBumpMetal金屬層濺射3.CoatwithPR覆蓋光膠4.Patternforbump凸點(diǎn)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(diǎn)制備工藝Peripheralarraysolderbumps周邊分布凸點(diǎn)Areaarraysolderbumps面分布凸點(diǎn)

Thepeaktemperatureofreflowprocess回流焊峰值溫度：220oC.

Theeffectivebumppitchforperipheralarray周邊分布有效凸點(diǎn)間距：

125m.2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@99ProcessSpecification工藝參數(shù)PhotoresistThickness光刻膠厚度:40~100m BumpMaterial凸點(diǎn)材料:63Sn/37PbBumpheight凸點(diǎn)高度:75~140mUBMlayer凸點(diǎn)下金屬層:Ti/W-Cu,Cr-CuMin.effectivepitchofbump最小有效凸點(diǎn)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(zhì)底板上倒裝焊Directchipattachonlow-costPCB,flexiblesubstrate

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

絲網(wǎng)印刷凸點(diǎn)倒裝焊技術(shù)2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@102焊膏印刷凸點(diǎn)橫截面示意圖2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@103焊膏印刷凸點(diǎn)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(jiàn)圖（d）（e）2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@105ElectrolessUBMandStencilPrinting化學(xué)鍍UBM和絲網(wǎng)印刷工藝

Themostpotentiallowcostflipchipbumpingmethod.

最具前景的低成本倒裝焊凸點(diǎn)制備方法UsingelectrolessNi/AuasUBMsystem用化學(xué)鍍鎳/金作為凸點(diǎn)下金屬層masklessprocess無(wú)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(wǎng)印刷工藝流程ProcessflowofStencilPrintingProcess絲網(wǎng)印刷工藝流程(nottoscale)Waferpreparation晶片制備(PassivationandAlpads)ZincationPretreatment鋅化預(yù)處理ElectrolessNi/ImmersionAu化學(xué)鍍鎳/金StencilPrinting絲網(wǎng)印刷SolderReflowandCleaning焊料回流和清洗2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@107StencilPrintingProcessFlow絲網(wǎng)印刷工藝流程SketchofprocessflowElectrolessNi/AuStud(Crosssection)化學(xué)鍍鎳/金SolderPastePrinting漿料印刷Reflow回流2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@108ProcessSpecification工藝參數(shù)I/Opadswithapitchof400mareusedfortestingdice Thelimitationofthisprocessisthepitchof150m.

測(cè)試芯片I/O凸點(diǎn)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(yīng)用不同供應(yīng)商凸點(diǎn)焊料2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@109SamplesbyStencilPrintingBumping

絲網(wǎng)印刷凸點(diǎn)工藝樣品FlipChiponPCBforTesting在PCB上倒裝焊測(cè)試樣品2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@1104、釘頭焊料凸點(diǎn)

使用標(biāo)準(zhǔn)的導(dǎo)線鍵合中的方法來(lái)形成凸點(diǎn)，Au絲線或者Pb基的絲線。其過(guò)程與導(dǎo)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?cái)?。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(diǎn)通過(guò)回流或者整形方法形成一個(gè)圓滑的形狀，以獲得一致的凸點(diǎn)高度。一般地，這種凸點(diǎn)與導(dǎo)電膠或者焊料配合使用以進(jìn)行組裝互連。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@111釘頭凸點(diǎn)形貌未整形的Au釘頭凸點(diǎn)與整形后的凸點(diǎn)

2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@112釘頭焊料凸點(diǎn)步驟示意圖2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@113凸點(diǎn)形貌Sn/Pb釘頭凸點(diǎn)在300°C回流后與Al焊盤發(fā)生去潤(rùn)濕2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@1145、放球法PacTech研制一種SolderBallBumper。一個(gè)植球頭單元在放球的同時(shí)通過(guò)光纖施加激光脈沖進(jìn)行回流焊。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@115放球法設(shè)備2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@1166、焊料轉(zhuǎn)送凸點(diǎn)在載體上形成，然后轉(zhuǎn)送到焊盤上去。載體必須是與焊料不潤(rùn)濕的材料，如硅片、熱阻玻璃片等。首先，通過(guò)蒸鍍?cè)谳d體上形成凸點(diǎn)，其圖樣與芯片焊盤極度的一致。載體圖樣的形成通過(guò)金屬模板掩模與抬起工藝來(lái)制作。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@117焊料轉(zhuǎn)送簡(jiǎn)介在沉積凸點(diǎn)之前，要沉積大約1000A°厚度的金薄層。它用來(lái)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(rùn)濕時(shí)間，使得它有足夠的時(shí)間來(lái)潤(rùn)濕UBM，下一步就是焊料轉(zhuǎn)送。如果要將凸點(diǎn)轉(zhuǎn)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(diǎn)轉(zhuǎn)移到單個(gè)芯片上，則將晶片放在途有焊劑的載體上。然后進(jìn)行回流，凸點(diǎn)與載體不潤(rùn)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(wèn)題在凸點(diǎn)材料的選擇、焊盤的尺寸設(shè)計(jì)、焊接材料與基底材料的兼容性等方面要注意以下幾個(gè)問(wèn)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)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(shù)晶片中，焊盤都是采用周邊陣列的形式，以方便進(jìn)行引線鍵合工藝。若干問(wèn)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(shù)，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(jié)構(gòu)，然后再進(jìn)行凸點(diǎn)工藝。流過(guò)焊料凸點(diǎn)的最大電流密度為大約4200A/cm2。典型的凸點(diǎn)高度為125-140mm，這取決于焊盤之間的間距，凸點(diǎn)高度的公差范圍為±15mm。若干問(wèn)題－022023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@122UBM

基底的金屬化層應(yīng)與凸點(diǎn)中的焊料形成良好的結(jié)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(nèi)，以防止產(chǎn)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(yīng)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(shí)增加接頭中的焊料體積，使接頭更具有韌性。但是，每一個(gè)焊盤上涂覆的焊料的高度和體積應(yīng)該盡可能均勻一致。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@123加熱

如果沒(méi)有底部填充，建議最高連接溫度為140oC到150oC。一個(gè)凸點(diǎn)的熱阻為1000-1500oC/W，將一個(gè)焊料凸點(diǎn)的熱阻除以芯片上凸點(diǎn)的個(gè)數(shù)，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(diǎn)(“啞凸點(diǎn)”)，或者采用高熱導(dǎo)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(shí)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(yīng)用領(lǐng)域，因?yàn)樵谶@種組裝結(jié)構(gòu)中，芯片與基底之間的連接通路非常短。倒裝焊點(diǎn)的串連阻抗為1mW左右，串連電感為0.025nH，遠(yuǎn)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(diǎn)，信號(hào)的傳輸時(shí)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(shí)延等方面的性能比較電性能2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@126

主要指焊點(diǎn)的熱疲勞可靠性。另一個(gè)失效就是腐蝕以及原子遷移導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)中的電場(chǎng)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(shù)。以及焊點(diǎn)高度、焊點(diǎn)到結(jié)構(gòu)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(diǎn)的熱疲勞可靠性。不同材料的熱疲勞性能比較見(jiàn)下表。銦基焊料熱疲勞性能好，但是在高濕度下可靠性很差。可靠性2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@127

當(dāng)不使用底部填充時(shí)，熱疲勞是焊點(diǎn)可靠性的主要問(wèn)題。適當(dāng)?shù)氐撞刻畛洳牧喜糠肿钃趿撕更c(diǎn)的熱變形，于是疲勞破壞與焊點(diǎn)至結(jié)構(gòu)的中點(diǎn)的距離的關(guān)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(yīng)力，在某些情況下回將其本身的變形轉(zhuǎn)嫁給芯片，于是芯片中的應(yīng)力過(guò)大而導(dǎo)致開(kāi)裂。應(yīng)力的水平取決于基板材料以及硅晶片的表面質(zhì)量。焊點(diǎn)隨溫度的循環(huán)的疲勞壽命可以使用有限元分析、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵约坝?jì)算機(jī)軟件進(jìn)行模擬。對(duì)于苛刻的使用要求，建議采用加速測(cè)試。疲勞壽命2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@129

在固化底部填充材料前，要對(duì)已經(jīng)焊接的芯片進(jìn)行測(cè)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(jìn)行測(cè)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(duì)于真正好的芯片，仍然有很多設(shè)備和技術(shù)問(wèn)題。傳統(tǒng)的IC一般進(jìn)行全面的測(cè)試，然后包封起來(lái)，因?yàn)槠渥罱K的測(cè)試可以很容易地進(jìn)行。測(cè)試－012023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@130

對(duì)于KGD，有兩種基本的測(cè)試以及強(qiáng)化途徑： （1）在圓片級(jí)

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

對(duì)于生產(chǎn)KGD，出現(xiàn)了將KGD組裝到臨時(shí)載體上使之成為臨時(shí)單芯片而進(jìn)行強(qiáng)化等傳統(tǒng)測(cè)試，以提高質(zhì)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(jìn)行臨時(shí)電氣連接，然后進(jìn)行傳統(tǒng)的測(cè)試。當(dāng)測(cè)試完之后，晶片就取出來(lái)。

測(cè)試－032023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@132

一般的倒裝芯片組裝是通過(guò)焊料將凸點(diǎn)焊接到電路板上。對(duì)于細(xì)間距應(yīng)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(duì)于間距大于0.4mm，可通過(guò)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(jìn)行回流，最后清洗。生產(chǎn)過(guò)程2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@133

然后滴注底部填充材料，加熱固化。與傳統(tǒng)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(zhuǎn)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(shè)備。生產(chǎn)過(guò)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(dǎo)致焊點(diǎn)熱應(yīng)力，而發(fā)生疲勞失效。底部填充材料將集中的應(yīng)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(qiáng)度與剛度。保護(hù)芯片免受環(huán)境的影響（濕氣、離子污染等）使得芯片耐受機(jī)械振動(dòng)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(shù)脂，因?yàn)檫@類環(huán)氧樹(shù)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(fù)合以下要求：無(wú)揮發(fā)性。否則會(huì)導(dǎo)致芯片底部產(chǎn)生間隙。盡可能減小應(yīng)力失配。填料與凸點(diǎn)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(zhuǎn)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(dòng)性要好。具有較高的彈性模量以及彎曲強(qiáng)度。使得互連應(yīng)力小。高溫高濕下，絕緣電阻要高。即要求雜質(zhì)離子（Cl－，Na＋、K＋）等數(shù)量要低。對(duì)于存儲(chǔ)器等敏感元件，填料低的放射至關(guān)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(zhì)中摻有陶瓷填料以提高導(dǎo)熱率并改善CET。 需要一個(gè)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(dòng)填充，由喬治亞理工大學(xué)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(shí)，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(xì)管的虹吸作用，填料被吸入，并向中心流動(dòng)。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(dòng)。 填充完畢后，在烘箱中分段升溫，達(dá)到130oC左右的固化溫度后，保持3到4小時(shí)即可達(dá)完全固化。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@140填充方式傳統(tǒng)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(dòng)填充01（No-flowUnderfill）2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@142非流動(dòng)填充022023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@143非流動(dòng)填充03清洗測(cè)試2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@144填充過(guò)程的關(guān)鍵因素填充量：不足導(dǎo)致晶片開(kāi)裂、過(guò)多會(huì)溢流到芯片底部以外。填充量取決于填充空間的準(zhǔn)確計(jì)算以及填充工具的精度。填充溫度：預(yù)熱、加熱以及填充后的加熱對(duì)其流動(dòng)性有很大的影響。填充方法：從一邊填充會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，從兩邊填充會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部產(chǎn)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(shè)備組裝設(shè)備2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@146底部填充設(shè)備底部填充設(shè)備2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@147ReliabilityTest

可靠性測(cè)試2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@148ReliabilityTestDesign可靠性測(cè)試設(shè)計(jì)JEDECStandardforTestDesign JEDEC標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試設(shè)計(jì)(JointElectronDeviceEngineeringCouncil)

TestDice測(cè)試芯片Reliabi