封裝微電子課件第二章

第2章芯片互連技術(shù)主要內(nèi)容WBTABFC2．1概述在微電子封裝中，半導(dǎo)體器件的失效約有1/4～1/3是由芯片互連引起的，故芯片互連對(duì)器件長(zhǎng)期使用的可靠性影響很大。WB在傳統(tǒng)的WB中，互連引起的失效主要表現(xiàn)為:引線過(guò)長(zhǎng)，與裸芯片易搭接短路，燒毀芯片；壓焊過(guò)重，引線過(guò)分變形，損傷引線，容易造成壓處斷裂；壓焊過(guò)輕，或芯片焊區(qū)表面太臟．導(dǎo)致虛焊，壓焊點(diǎn)易于脫落；壓焊點(diǎn)壓偏，或因此鍵合強(qiáng)度大為減小，或造成壓焊點(diǎn)間距過(guò)小而易于短路；此外，壓點(diǎn)處留絲過(guò)長(zhǎng)，引線過(guò)緊、過(guò)松等，均易引起器件過(guò)早失效。TAB和FCB由于芯片凸點(diǎn)的高度一致性差，群焊(多點(diǎn)一次焊接)時(shí)凸點(diǎn)形變不一致，從而造成各焊點(diǎn)的鍵臺(tái)強(qiáng)度有高有低；由于凸點(diǎn)過(guò)低，使集中于焊點(diǎn)周圍的熱應(yīng)力過(guò)大，而易造成鈍化層開(kāi)裂；面陣凸點(diǎn)FCB時(shí)，由于與基板不匹配，芯片的焊點(diǎn)應(yīng)力由中心向周邊逐次升高，輕者可引起封裝基板變形，重者可導(dǎo)致遠(yuǎn)離芯片中心的凸點(diǎn)焊接處開(kāi)裂失效等。生成金屬間化合物問(wèn)題Au-Al金屬化系統(tǒng)，焊接處可能形成的金屬間化合物就有Au2Al、AuAl、AuAl2、Au4Al、Au5Al等多種，這些金屬間化合物的晶格常數(shù)、膨脹系數(shù)及形成過(guò)程中體積的變化都是不同的，而且多是脆性的，導(dǎo)電率都較低。器件在長(zhǎng)期使用或遇高溫后，在Au-Al壓焊處就出現(xiàn)壓焊強(qiáng)度降低以及接觸電阻變大等情況，最終可導(dǎo)致器件在此開(kāi)路或器件的電性能退化?！白习摺迸c“白斑”這些金屬間化合物具有多種顏色，看上去呈紫色，放稱“紫斑”；Au2Al呈白色，則稱“白斑”，其危害性更大?！翱驴系?tīng)?Kirkendall)效應(yīng)”Au-Al壓焊還存在所謂“柯肯德?tīng)?Kirkendall)效應(yīng)”，即在接觸面上造成空洞。其原因是在高溫下，Au向Al中迅速擴(kuò)散，形成Au2Al（“白斑”)所致，同樣易引起器件的失效。WB、TAB和FCB性能的綜合比較2．2引線鍵合(WB)技術(shù)WB是將半導(dǎo)體芯片焊區(qū)與微電子封裝的I/O引線或基板上的金屬布線焊區(qū)用金屬細(xì)絲連接起來(lái)的工藝技術(shù)。焊區(qū)金屬一般為Al或Au．金屬絲多是數(shù)十微米至數(shù)百微米直徑的Au絲、Al絲和Si-Al絲。焊接方式主要有熱壓焊、超聲鍵合(壓)焊和金絲球焊三種。引線鍵合2．2．1WB的分類與特點(diǎn)1．熱壓焊2．超聲焊1．熱壓焊

熱壓焊是利用加熱和加壓力，使金屬絲與A1或Au的金屬焊區(qū)壓焊在一起。其原理是通過(guò)加熱和加壓力，使焊區(qū)金屬(如A1)發(fā)生塑性形變，同時(shí)破壞壓焊界面上的氧化層，使壓焊的金屬絲與焊區(qū)金屬接觸面的原子間達(dá)到原子的引力范圍，從而使原子間產(chǎn)生吸引力，達(dá)到“鍵合”的目的。此外，兩金屬界面不平整，加熱加壓時(shí)，可使上、下的金屬相互鑲嵌。缺點(diǎn)由于芯片加熱溫度高，壓焊時(shí)間一長(zhǎng)，容易損害芯片，也容易在高溫(>200℃)下形成異質(zhì)金屬(Au-Al)間化臺(tái)物——“紫斑”和“白斑”，使壓焊點(diǎn)接觸電阻增大，影響器件的可靠性和使用壽命。由于這種焊頭焊接時(shí)使金屬絲因變形過(guò)大而受損，焊點(diǎn)鍵合拉力小(<0.05N／點(diǎn))，故這類熱壓焊使用得已越來(lái)越少。2．超聲焊2．2．2引線鍵合的主要材料熱壓焊、金絲球焊主要選用Au絲，超聲焊主要用Al絲和Si-Al絲，還有少量的Cu-Al絲和Cu-Si-Al絲等。這些金屬材料都具有理想要求的大部分優(yōu)良特性，如能與半導(dǎo)體材料形成低電阻的歐姆接觸；Au的化學(xué)性能穩(wěn)定．Au-Au和Al-Al同種金屬間不會(huì)形成有害的金屬間化合物；與半導(dǎo)體材料的結(jié)合力強(qiáng)；電導(dǎo)率高，導(dǎo)電能力強(qiáng)；可塑性好，易于焊接，并能保持一定的形狀等。材料的退火處理目的：為減小金屬絲的硬度，改善其延展性，并凈化表面。Au絲可在高純N2或真空中遇火，而Al絲需在有還原作用的H2中進(jìn)行退火，也可在真空中退火。退火溫度為400-500度，恒溫15～20分鐘，然后自然冷卻。從兩個(gè)表中可以看出，Au絲和Al絲經(jīng)退火處理后，都大大提高了延展性和柔韌性，易于無(wú)損傷焊接。

2．2．3Au-Al焊接的問(wèn)題及其對(duì)策Al至今仍是IC布線和焊區(qū)難以替代的金屬材料，而焊接材料除Al絲超聲焊外，更多的仍是Au絲球焊，這是由Au的優(yōu)良性能和可自動(dòng)化操作所決定的，所以Au-Al接觸仍不可避免。金屬間化合物早期的研究發(fā)現(xiàn)，Au-Al接觸加熱到300℃會(huì)生成紫色的金屬間化合物AuAl2，俗稱“紫斑”，長(zhǎng)期以來(lái)一直認(rèn)為這種現(xiàn)象是引起器件焊接失效的主要原因。后來(lái)，在大量的研究中發(fā)現(xiàn)，這一現(xiàn)象是十分復(fù)雜的。除“紫斑”外，Au-Al界面生成的金屬間化合物Au2Al的接觸電阻更大，更具脆性，因?yàn)槌拾咨?，俗稱“白斑”。此外，還可能生成AuAl、Au5Al2和Au4Al等化合物，但由于通常Au的量比Al多，故觀察到的多為Au4Al、Au5Al2和Au2Al。元素原子百分比%重量百分比%Al20.234.42Au79.7795.58

由于這些化合物的晶格常數(shù)不同，機(jī)械性能和熱性能也不同，反應(yīng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生物質(zhì)移動(dòng)，從而在交界層形成可見(jiàn)的柯肯德?tīng)柨斩?Kirkendallvoid)，或產(chǎn)生裂縫，從而易在此引起器件焊點(diǎn)脫開(kāi)而失效。Au—Al焊接界面的結(jié)構(gòu)金屬間化合物的厚度與時(shí)間、溫度的關(guān)系將Au—Al焊接處置于高溫下，金屬間化合物的厚度將逐漸增加，其增長(zhǎng)狀態(tài)滿足簡(jiǎn)單的擴(kuò)散關(guān)系，即x2=Dt，這里，x為擴(kuò)散深度，D為擴(kuò)散系數(shù)，t為擴(kuò)散時(shí)間。表列出了實(shí)測(cè)的Au-Al間化合物厚度隨高溫處理的增長(zhǎng)情況。減小Au—Al間金屬間化合物的不斷生長(zhǎng)，應(yīng)盡可能避免在高溫下長(zhǎng)時(shí)間壓焊，器件的使用溫度也應(yīng)盡可能低一些。鍵合后分離鍵合界面

用掃描電鏡觀察界面的微觀形貌

中央、

脊皺環(huán)帶、

邊緣摩擦痕高倍EDS掃描：

Ni-Al鍵合界面層厚約1-3μm，Ni原子較多越過(guò)界面向另一側(cè)擴(kuò)展，而反向擴(kuò)散的Al原子數(shù)量較少。鍵合強(qiáng)度與連接測(cè)試強(qiáng)度不同，破壞環(huán)節(jié)一般不在鍵合界面。周邊與中間的形貌不同。A周邊中心Ag-padA’2．3載帶自動(dòng)焊(TAB)技術(shù)2．3．1TAB技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)況1965年就由美國(guó)通用電氣(GE)公司研究發(fā)明出來(lái)，當(dāng)時(shí)稱為“微型封裝”(miniMod)。1971年，法國(guó)BullSA公司將它稱為“載帶自動(dòng)焊”，以后這一叫法就一直延續(xù)下來(lái)。直到20世紀(jì)80年代中期．TAB技術(shù)一直發(fā)展緩慢。隨著多功能、高性能LSI和VLSI的飛速發(fā)展，I／O數(shù)迅速增加，電子整機(jī)的高密度組裝及小型化、薄型化的要求日益提高，到1987年，TAB技術(shù)又重新受到電子封裝界的高度重視。美國(guó)的仙童公司(現(xiàn)在的松下子公司)、Motorola公司、松下半導(dǎo)體公司和德克薩斯儀器公司等應(yīng)用TAB技術(shù)成功地替代了DIP塑封TTL邏輯電路封裝。2．3．2TAB技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)(1)TAB結(jié)構(gòu)輕、薄、短、小，封裝高度不足1mm(2)TAB的電極尺寸、電極與焊區(qū)節(jié)距均比WB大為減小。TAB的電極寬度通常為50μm可以做到20-30μm，電極節(jié)距通常為80μm，根據(jù)需要還可以做得更小。

(3)相應(yīng)可容納更高的I/O引腳數(shù)，如10mm見(jiàn)方的芯片，WB最多容納300個(gè)I/O引腳，而TAB可達(dá)500個(gè)I/O引腳以上，這就提高了TAB的安裝密度。

(4)TAB的引線電阻、電容和電感均比WB的小得多，WB分別為100mΩ、25pF和3nH，而TAB則分別為20mΩ、10pF和2nH。這使TAB互連的LSI、VLSl能夠具有更優(yōu)良的高速、高頻電性能。(5)采用TAB互連，可對(duì)各類IC芯片進(jìn)行篩選和測(cè)試，確保器件是優(yōu)質(zhì)芯片，無(wú)疑可大大提高電子組裝的成品率，從而降低電子產(chǎn)品的成本。(6)TAB采用Cu箔引線，導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能好，機(jī)械強(qiáng)度高。(7)一般的WB鍵合拉力為0.05～0.1N/點(diǎn)，而TAB比WB可高3～10倍．達(dá)到0.3～0.5N/點(diǎn)，從而可提高芯片互連的可靠性。(8)TAB使用標(biāo)準(zhǔn)化的卷軸長(zhǎng)帶(長(zhǎng)100m)，對(duì)芯片實(shí)行自動(dòng)化多點(diǎn)一次焊接；同時(shí)，安裝及外引線焊接可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，可進(jìn)行工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)，從而提高電子產(chǎn)品的生產(chǎn)效率．降低產(chǎn)品成本。2．3．3TAB的分類和標(biāo)準(zhǔn)TAB按其結(jié)構(gòu)和形狀，分為：Cu箔單層帶Cu-PI雙層帶Cu-粘接劑-PI三層帶Cu-PI-Cu雙金屬帶2.3.4TAB技術(shù)的關(guān)鍵材料和關(guān)鍵技術(shù)1．TAB技術(shù)的關(guān)鍵材料TAB技術(shù)的關(guān)鍵材料包括：基帶材料、Cu箔引線材料芯片凸點(diǎn)金屬材料(1)基帶材料基帶材料要求高溫性能好，與Cu箔的粘接性好，耐溫高，熱匹配性好，收縮率小且尺寸穩(wěn)定，抗化學(xué)腐蝕性強(qiáng)，機(jī)械強(qiáng)度高，吸水率低等。從綜合性能來(lái)看，聚酰亞胺(PI)基本上都能滿足這些要求，所以一直是公認(rèn)的使用最廣泛的基帶材料，唯獨(dú)價(jià)格較高。20世紀(jì)90年代初又相繼研制開(kāi)發(fā)出兩種成本低、性能好、適于大批量生產(chǎn)的TAB基帶材料，即聚乙烯對(duì)苯二甲酸脂(PET)薄膜和苯并環(huán)丁烯(BCB)薄膜，BCB的綜合性能已超過(guò)PI，這為T(mén)AB大量推廣應(yīng)用提供了有利條件。(2)TAB的金屬材料制作TAB的引線圖形的金屬材料除少數(shù)使用Al箔外，一般都采用Cu箔。這是因?yàn)椋篊u的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能好，強(qiáng)度高，延展性和表面平滑性良好，與各種基帶粘接牢固，不易剝離，特別是易于用光刻法制作出精細(xì)、復(fù)雜的引線圖形，又易于電鍍Au、Ni、Pb-Sn等易焊接金屬，是較為理想的TAB引線金屬材料。(3)芯片凸點(diǎn)的金屬材料TAB技術(shù)要求在芯片的焊區(qū)上先制作凸點(diǎn)，然后才能與Cu箔引線進(jìn)行焊接。芯片焊區(qū)金屬通常為Al膜，為使Al膜和芯片鈍化層粘附牢固，要先淀積一層粘附層金屬；接著，還要淀積一層阻擋層金屬，以防止最上層的凸點(diǎn)金屬與AI互擴(kuò)散，生成不希望有的金屬間化臺(tái)物；最上層才是具有定高度要求的凸點(diǎn)金屬。2．TAB的關(guān)鍵技術(shù)一、芯片凸點(diǎn)的制作技術(shù)；二、TAB載帶的制作技術(shù)；三、載帶引線與芯片凸點(diǎn)的內(nèi)引線焊接技術(shù)和載帶外引線的焊接技術(shù)。2.3.5TAB芯片凸點(diǎn)的設(shè)計(jì)制作要點(diǎn)TAB的指狀引線圖形與芯片上凸點(diǎn)的連接焊區(qū)只能是周邊形的，這與傳統(tǒng)的WB所要求的芯片周邊焊區(qū)是相似的。但當(dāng)LSI、VLSI的芯片焊區(qū)尺寸小于90μm見(jiàn)方，節(jié)距縮小到100μm以下，而I／O數(shù)又很高(如數(shù)百個(gè))時(shí)，用TAB就顯示出了優(yōu)勢(shì)。為使TAB指狀引線圖形具有對(duì)稱性，以便于工藝實(shí)施，芯片焊區(qū)及凸點(diǎn)的周邊布局應(yīng)盡可能具有均勻性和對(duì)稱性。凸點(diǎn)的形狀一般有蘑菇狀凸點(diǎn)和柱狀凸點(diǎn)兩種。不管是哪種凸點(diǎn)形狀，都應(yīng)當(dāng)考慮凸點(diǎn)壓焊變形后向四周(特別是兩鄰近凸點(diǎn)間)擴(kuò)展的距離，必須留有充分的余地。壓焊時(shí)，若所加壓力過(guò)大，壓力傳到底層金屬和所附的鈍化層時(shí)，有可能使薄薄的底層金屬和鈍化層產(chǎn)生裂紋，或使較軟的凸點(diǎn)Au變形過(guò)大2．3．6TAB載帶的設(shè)計(jì)要點(diǎn)TAB的載帶引線圖形是與芯片凸點(diǎn)的布局緊密配合的，即首先預(yù)知或精確測(cè)量出芯片凸點(diǎn)的位置、尺寸和節(jié)距，然后再設(shè)計(jì)載帶引線圖形。引線圖形的指端位置、尺寸和節(jié)距要和每個(gè)芯點(diǎn)凸點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)。其次，載帶外引線焊區(qū)又要與電子封裝的基板布線焊區(qū)一一對(duì)應(yīng)，由此就決定了每根載帶引線的長(zhǎng)度和寬度。2.3.7TAB載帶的制作技術(shù)TAB載帶的制作技術(shù)包括：?jiǎn)螌訋е谱骷夹g(shù)雙層帶制作技術(shù)三層帶制作技術(shù)雙金屬層帶制作技術(shù)1．TAB單層帶的制作技術(shù)TAB單層帶是厚度為50～70μm的Cu箔，制作工藝較為簡(jiǎn)單。形成引線圖形框架電鍍后一般應(yīng)進(jìn)行退火處理，一為消除電鍍中因吸H2而造成的應(yīng)力，使Cu引線和鍍層具有柔性2．TAB雙層帶的制作技術(shù)TAB雙層帶是指金屬和PI兩層而言。金屬箔為Cu箔或Al箔，以Cu箔使用較多。PA：液態(tài)聚酰胺酸在高溫(350℃)下3．TAB三層帶的制作技術(shù)TAB三層帶在國(guó)際上最為流行，使用也最多，適宜大批量生產(chǎn)。它是由Cu箔-粘接劑-PI膜(或其他有機(jī)薄膜)三層構(gòu)成的，其制作工藝比其他幾種載帶的制作工藝復(fù)雜。Cu箔的厚度一般選擇18μm或35μm，甚至更薄，用于形成引線圖形。粘結(jié)劑的厚度約為20～25μm,是具有與Cu粘接力強(qiáng)、絕緣性好、耐壓高和機(jī)械強(qiáng)度好等特性的環(huán)氧類粘接劑。PI膜(或其他有機(jī)薄膜)的厚度約為70μm，主要對(duì)形成的Cu箔引線圖形起支撐作用，以保持內(nèi)引線的共面性。三層帶的總厚度為120μm左右。(1)制作沖壓模具。沖壓模具足可同時(shí)沖制PI膜定位傳送孔和PI框架的高精度硬質(zhì)合金模具。應(yīng)使模其在連續(xù)沖壓PI膜長(zhǎng)帶時(shí)的沖壓積累誤差保持在所要求的精度范圍內(nèi)，而且定位傳送孔是符合載帶標(biāo)準(zhǔn)化要求的。

(2)連續(xù)沖壓PI膜定位傳送孔和PI框架孔。

(3)涂覆粘接劑。粘接劑通常足已事先附好在PI膜上的，沖壓時(shí)，通孔處的粘接劑層也被沖壓掉。

(4)粘覆Cu箔。將沖壓好的PI膜覆上Cu箔，放置到高溫高壓設(shè)備上進(jìn)行加熱加壓，要求壓制的Cu箔和PI膜間無(wú)明顯氣泡，壓制的三層帶均勻一致性好。(5)按設(shè)計(jì)要求對(duì)大面積沖壓好的三層特進(jìn)行切割(也可先切割成標(biāo)準(zhǔn)的三層帶．然后再?zèng)_壓、覆Cu箔等)，這樣就制作成了TAB三層帶．(6)將設(shè)計(jì)好的引線圖形制版．經(jīng)光刻、刻蝕、電鍍等工藝，完成所需要的引線圖形，這與單層Cu箔的制作工藝是相同的。2.3.8TAB的焊接技術(shù)TAB的焊接技術(shù)包括：載帶內(nèi)引線與芯片凸出之間的內(nèi)引線焊接(InnerLeadBonding，簡(jiǎn)稱ILB)載帶外引線與外殼或基板焊區(qū)之間的外引線焊接(outerLeadBonding．簡(jiǎn)稱0LB)1．TAB的內(nèi)引線焊接技術(shù)將載帶內(nèi)引線鍵合區(qū)與芯片凸點(diǎn)焊接在一起的方法主要是熱壓焊和熱壓再流焊。當(dāng)芯片凸點(diǎn)為Au或Ni-Au、cu-Au等金屬，而載帶Cu箔引線也鍍這類金屬時(shí)，就要使用熱壓焊。當(dāng)芯片凸點(diǎn)仍是如上金屬，而載帶cu箔引線鍍O.5μm厚的Pb-Sn時(shí)，或者芯片凸點(diǎn)具有Pb-Sn．而載帶Cu箔引線是上述金屬層時(shí)，就要使用熱壓再流焊。顯然，完全使用熱壓焊的焊接溫度高，壓力也大；而熱壓再流焊相應(yīng)的溫度較低，壓力也較小。(1)焊接過(guò)程對(duì)位焊接抬起芯片傳送Connectionmadeintwosteps:InnerLeadBondingConnectingtapetochipOuterLeadBondingConnectingtapetosubstrateConnectionmadebypression(2)焊接條件焊接條件主要由焊接溫度(T)、焊接壓力(P)和焊接時(shí)間(t)確定。一般熱壓再流焊較為典型的焊接條件為T(mén)=450～500℃，P≈0.5N/點(diǎn)，f=0.5～ls。除此之外，焊頭的平整度、平行度、焊接時(shí)的傾斜度及焊接界面的浸潤(rùn)性都會(huì)影響焊接結(jié)果。2.1TAB內(nèi)引線焊接后的保護(hù)TAB內(nèi)引線焊接后需對(duì)焊點(diǎn)和芯片進(jìn)行保護(hù)，其方法是涂覆薄薄的一層環(huán)氧樹(shù)脂。要求環(huán)氧樹(shù)脂的粘度低，流動(dòng)性好，應(yīng)力小，且Cl-離子和α粒子的含量小，涂覆后需經(jīng)固化。這樣既保護(hù)了焊點(diǎn)，使載帶引線受力時(shí)不致?lián)p傷焊點(diǎn)，也使IC芯片表面受到了保護(hù)。2．3．9TAB的可靠性TAB經(jīng)過(guò)20世紀(jì)80年代的開(kāi)發(fā)應(yīng)用和大量的可靠性試驗(yàn)，已達(dá)到DIP和QFP等微電子封裝的可靠性水平。TAB可靠性試驗(yàn)的項(xiàng)目和條件如表所列。Intel公司為滿足手提計(jì)算機(jī)的需要，20世紀(jì)90年代初開(kāi)發(fā)出厚度僅2mm的薄形FPPQFP，該封裝具有296根引腳、0.4mm節(jié)距，F(xiàn)PPQFP的尺寸為32mm×32mm，使用了TAB與芯片和引線框架互連，并取得了滿意的可靠性要求。在評(píng)估在PGA封裝中使用TAB焊接的可靠性時(shí)，在0～100℃的溫度范圍，經(jīng)過(guò)2000次溫度循環(huán)．鍵合強(qiáng)度只下降不足10％；在同一溫度范圍內(nèi)熱沖擊500次，鍵合強(qiáng)度下降也不足10％即使在最嚴(yán)酷的條件下(-65～150℃)，經(jīng)1000小時(shí)的溫度循環(huán)，OLB焊接的平均鍵合強(qiáng)度最多下降36％，并未引起焊點(diǎn)或引線的斷裂2．3．10TAB引線焊接機(jī)TAB內(nèi)引線與芯片凸點(diǎn)的互連及TAB外引線與電子封裝殼體或基板上焊區(qū)的互連分別使用內(nèi)、外引線焊接機(jī)完成。其主要結(jié)構(gòu)由加熱控溫系統(tǒng)、壓力和超聲傳送系統(tǒng)、控時(shí)系統(tǒng)、光控對(duì)位及顯示系統(tǒng)等部分組成。內(nèi)、外引線焊接機(jī)的主要區(qū)別在于壓焊焊頭不同，內(nèi)引線焊接機(jī)的焊頭是平的，而外引線焊接機(jī)的焊頭則呈“口"字形，以壓焊外引線時(shí)不觸及芯片及內(nèi)引線為準(zhǔn)。2．4倒裝焊(FCB)技術(shù)倒裝焊是芯片與基板直接安裝互連的一種方法．WB和TAB互連法通常都是芯片面朝上安裝互連，而FCB則是芯片面朝下，芯片上的焊區(qū)直接與基板上的焊區(qū)互連。FCB的互連線非常短，互連產(chǎn)生的雜散電容、互連電阻和互連電感均比WB和TAB小得多，從而更適于高頻、高速的電子產(chǎn)品應(yīng)用。同時(shí)，F(xiàn)CB芯片安裝互連占的基板面積小。因而芯片安裝密度高。此外，F(xiàn)CB的芯片適于高I／0數(shù)的LSI、VLSI芯片使用。由于芯片的安裝、互連是同時(shí)完成的，這就大大簡(jiǎn)化了安裝互連工藝．快速、省時(shí)，適于使用先進(jìn)的SMT進(jìn)行工業(yè)化大批量生產(chǎn)。芯片面朝下安裝互連，給工藝操作帶來(lái)一定難度，焊點(diǎn)檢查困難(只能使用紅外線和x光檢查).另外，在芯片焊區(qū)一般要制作凸點(diǎn)，增加了芯片的制作工藝流程和成本。此外，倒裝焊同各材料間的匹配所產(chǎn)生的應(yīng)力問(wèn)題也需要很好地解決等。但隨著工藝技術(shù)和可靠性研究的不斷深人，F(xiàn)CB存在的問(wèn)題正逐一得到解決。FCB不足之處2.4.1倒裝焊的發(fā)展簡(jiǎn)況20世紀(jì)60年代初，美國(guó)IBM公司研制開(kāi)發(fā)出在芯片上制作凸點(diǎn)的FCB工藝技術(shù)。FCB于1964年首先用于電子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上，制成FCB的混合集成電路(HIC)組件．當(dāng)時(shí)月產(chǎn)量可達(dá)100萬(wàn)個(gè)組件，是HIC中產(chǎn)量最大的組件。最初，芯片上制作的凸點(diǎn)是焊料(95％Pb-5％Sn)，凸點(diǎn)包圍著電鍍了Ni-Au的Cu球，Cu球主要是防止FCB時(shí)Pb-Sn流淌，以防短路．當(dāng)然，導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能也更好。凸點(diǎn)下與Al電極接觸的粘附金屬層和阻擋擴(kuò)散金屬層依次為Cr-Cr-Cu-Cu-Au，這些金屬化層以及上面的凸點(diǎn)金屬Pb-Sn都是用制作IC的蒸發(fā)和光刻工藝形成的，稱為固態(tài)工藝凸點(diǎn)制作方法。這種用Cu球制作的凸點(diǎn)直徑不能太小，再小就難以制作，這就限制了凸點(diǎn)尺寸向更小的方向發(fā)展。于是，IBM公司又研制開(kāi)發(fā)出了不用Cu球，完全用Pb-Sn形成凸點(diǎn)的方法——可控塌陷芯片連接（ControlledCollapseChipConneCtion，簡(jiǎn)稱C4)。倒裝焊的發(fā)展簡(jiǎn)況C4有諸多優(yōu)點(diǎn)：倒裝焊時(shí)易于熔化再流，凸點(diǎn)高度的一致性好壞變得不太重要，因?yàn)槿刍腜b-Sn可以彌補(bǔ)因凸點(diǎn)高度不一致或基板不平而引起的高度差；焊接時(shí)由于Pb-Sn處于熔化狀態(tài)，故比凸點(diǎn)金屬(如Au、Ni、Cu)所加的焊接壓力小得多．從而不易損傷芯片和焊點(diǎn)；

Pb-Sn熔化時(shí)有較大的表面張力，因此焊接具有“自對(duì)準(zhǔn)”效果．即使倒裝焊時(shí)芯片與基板上下焊區(qū)對(duì)位偏移，也會(huì)在Pb-Sn熔化再流時(shí)回到對(duì)中位置?？煽厮菪酒B接（ControlledCollapseChipConneCtion，簡(jiǎn)稱C420世紀(jì)80年代中期，隨著多功能、高性LSI和VLSI的飛速發(fā)展，I／O數(shù)迅速增加．一些電子整機(jī)的高密度組裝及小型化、薄型化要求日益提高。FCB所具有的最高的安裝密度、最高I/O數(shù)和較低的成本，以及可直接貼裝HIC、MCM等優(yōu)越性．因其旺盛的需求而充分發(fā)揮出來(lái)。美國(guó)、日本、歐洲的各大電子公司都相繼研制開(kāi)發(fā)出各種各樣的FCB工藝技術(shù)，而且與快速自動(dòng)化的SMT結(jié)合了起來(lái)，使FCB廣泛地?cái)U(kuò)展了應(yīng)用領(lǐng)域，從而大大促進(jìn)了FCB技術(shù)的發(fā)展。代表性廠家提出的15個(gè)與裸芯片封裝技術(shù)相關(guān)的技術(shù)和銷售方面的問(wèn)題中：有40％的答卷認(rèn)為未來(lái)首選芯片焊接工藝非FCB工藝莫屬，而認(rèn)為T(mén)AB和WB是未來(lái)最普遍的芯片互連工藝的各占21％；多數(shù)答卷還認(rèn)為芯片尺寸封裝(CSP)具有良好的發(fā)展前途.事實(shí)上，很多情況下，CSP芯片與FCB芯片是等同的，CSP的發(fā)展與應(yīng)用也代表了FCB的發(fā)展與應(yīng)用。2．4．2芯片凸點(diǎn)的類別AL層：各種IC芯片的焊區(qū)金屬均為Al，在Al焊區(qū)上制作各類凸點(diǎn)；粘附層：除Al凸點(diǎn)外，均需在Al焊區(qū)和它周圍的鈍化層或氧化層上先形成一層粘附性好的粘附金屬，一般為數(shù)十納米厚度的Cr、Ti、Ni層；阻擋層：接著在粘附金屬層上形成一層數(shù)十至數(shù)百納米厚度的阻擋層金屬，如Pt、W、Pd、Cu、Ni等，以防止上面的凸點(diǎn)金屬(如Au等)越過(guò)薄薄的粘附層與Al焊區(qū)形成脆性的中間金屬化合物；凸點(diǎn)層：最上層是導(dǎo)電的凸點(diǎn)金屬，如Au、Cu、Ni、Pb-Sn、In等。1．芯片凸點(diǎn)下多層金屬化(UBM)2．芯片凸點(diǎn)的類別(1)按凸點(diǎn)材料分類按凸點(diǎn)材料分類，有Au凸點(diǎn)、Ni-Au凸點(diǎn)、Au-Sn凸點(diǎn)、Cu凸點(diǎn)、Cu-Pb-Sn凸點(diǎn)、In凸點(diǎn)、Pb-Sn凸點(diǎn)和聚合物凸點(diǎn)等，其中應(yīng)用最廣的是Au凸點(diǎn)、Cu-Pb-Sn凸點(diǎn)和Pb-Sn凸點(diǎn)。

(2)按凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)和形狀分類按凸點(diǎn)形狀分類，有蘑菇狀、柱狀(方形、圓柱形)、球形和疊層幾種。按凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)分類，有周邊分布凸點(diǎn)和面陣分布凸點(diǎn)等。其中，應(yīng)用最多的是柱狀凸點(diǎn)、球形凸點(diǎn)、周邊分布凸點(diǎn)和面陣分布凸點(diǎn)。金凸點(diǎn)

尺寸：10μmx10μmmin.

高度：25μm.max.

硬度：45-60Hv.

銦凸點(diǎn)

尺寸：凸點(diǎn)直徑10μmmin.

高度12μm.max.

間距:8μm.min.Cusolderbumps.

尺寸：凸點(diǎn)最小直徑10μmx10μmmin.

高度25μm.max.

凸點(diǎn)間距10μm.minLEAD/TIN焊料凸點(diǎn):

適用：COB、FCIP、COF

尺寸：Minimumpost-reflowlead/tinsolderbump

sizeof15μmdiameter.

間距：20μm.min.ELECTROLESSNICKEL（化學(xué)鍍鎳）凸點(diǎn):

Asalow-costUBMforscreen-printingofsolderbumps.

平均高度5-8μmwithapproximately500umofAu.

2．4．3芯片凸點(diǎn)的制作工藝主要有：蒸發(fā)，濺射法、電鍍法、化學(xué)鍍法、機(jī)械打球法、激光法、置球和模板印刷法、移置法、疊層制作法和柔性凸點(diǎn)制作法等。1．蒸發(fā)，濺射凸點(diǎn)制作法工藝特點(diǎn)：工藝簡(jiǎn)便、成熟。多層金屬化和凸點(diǎn)金屬可一次完成，且IC芯片的Al焊區(qū)面積大，I／O數(shù)少則幾個(gè)，多則教十個(gè)，為周邊分布焊區(qū)。要先制作出正對(duì)Al焊區(qū)的金屬掩模板，一種掩模板只能針對(duì)一種芯片，靈活性較差。要形成一定高度(如數(shù)十微米)的凸點(diǎn)，就需長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行蒸發(fā)，濺射，因此，形成凸點(diǎn)的設(shè)備費(fèi)用大，成本高。因使用掩模板，故只適于制作凸點(diǎn)直徑較大(100μm左右)、I／0數(shù)較少(數(shù)十個(gè))的凸點(diǎn)。這種凸點(diǎn)制作法因設(shè)備費(fèi)用高，且效率低，較難適于大批量生產(chǎn)。2．電鍍凸點(diǎn)制作法工藝特點(diǎn)：國(guó)際上最為普遍且工藝成熟的凸點(diǎn)制作方法。該方法不僅加工工序少，工藝簡(jiǎn)便易行，而且適于大批量制作各種類型的凸點(diǎn)。3．化學(xué)鍍凸點(diǎn)制作法當(dāng)Al焊區(qū)金屬浸入鋅酸鹽溶液中時(shí)，Al上的氧化層就溶解下來(lái)．它與NaOH發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng)：

Al203+2NaOH=2NaAl02+H20接著，Zn與純Al發(fā)生置換反應(yīng)，Zn原子沉積在Al上，化學(xué)反應(yīng)如下：2Al+3ZnO22-+2H20=3Zn+2Al02-+40H-4．打球(釘頭）凸點(diǎn)制作法工藝特點(diǎn)：對(duì)于那些I／O數(shù)不多，且Al焊區(qū)面積較大的各類單芯片，靈活、簡(jiǎn)便，芯片不浪費(fèi)，因此成本低廉。但對(duì)I／O數(shù)較多、Al焊區(qū)尺寸及節(jié)距小(均<90μm)的LSi/VLSI芯片，也不適于大批量加工芯片凸點(diǎn)。日本的兩家公司用此法制作成的疊層Au凸點(diǎn)21個(gè)樣品安裝在Al2O3基板上，經(jīng)歷-55-150℃、每小時(shí)3次、共達(dá)6000次的溫度循環(huán)考核后無(wú)一失效，證明用這種方法制作的球狀凸點(diǎn)是可靠的。5．置球及模板印刷制作焊料凸點(diǎn)的工藝方法德國(guó)柏林技術(shù)學(xué)院用激光化學(xué)汽相淀積(LCVD)方法成功地在Si和GaAsIC芯片上制作出單芯片凸點(diǎn)，并取得實(shí)用效果。LCVD方法是利用激光的能量加熱芯片焊區(qū)并分解Au的有機(jī)化合物，在汽相中沉淀Au的凸點(diǎn)的。淀積生長(zhǎng)速率和凸點(diǎn)高度由淀積時(shí)間、芯片溫度及激光能量?jī)?yōu)選確定。在淀積速率為6μm/s、芯片溫度為100℃、激光功率為1.9W的條件下，可生長(zhǎng)出70μm高的Au凸點(diǎn)。6.激光凸點(diǎn)制作法8．柔性凸點(diǎn)制作法(1)柔性凸點(diǎn)所解決的問(wèn)題用電鍍形成Au凸點(diǎn)時(shí)，一般允許有最大10％的高度不均勻性。在與基板倒裝焊互連時(shí)，為了達(dá)到所有的凸點(diǎn)都能很好連接的效果，必然加大焊接壓力，使較高的凸點(diǎn)過(guò)分變形，再加上基板上可能存在的凹凸不平、彎曲或扭曲等不均勻性，更加重了焊接互連時(shí)的凸點(diǎn)形變。這種累積應(yīng)力可使Au凸點(diǎn)下面的薄薄金屬阻擋層(如Cr—Ni、Ti—W、Ti—Mo等，只有數(shù)十納米的厚度)產(chǎn)生裂紋，或者造成凸點(diǎn)周圍Si3N4鈍化層的開(kāi)裂。一般地，焊接后在凸點(diǎn)芯片與基板間填充有機(jī)聚合物來(lái)緩解應(yīng)力和維持良好的互連接觸。但一般商用有機(jī)聚合物與凸點(diǎn)金屬和基板的熱匹配差，特別是熱膨脹或吸潮脹大時(shí)，仍可引起互連接觸的阻值增大，甚至開(kāi)路。(2)柔性凸點(diǎn)的結(jié)構(gòu)和性能柔性凸點(diǎn)：在芯片或基板的焊區(qū)上先形成有機(jī)聚合物凸點(diǎn)，然后再包封一層Au而形成。柔性凸點(diǎn)具有彈性，加壓時(shí)，可將它的高度壓縮30％以上。柔性凸點(diǎn)在與基板互連時(shí)．柔性凸點(diǎn)趨向于彈回原來(lái)的位置，這就能始終保持緊密的互連接觸，從而提高了可靠性。(3)柔性凸點(diǎn)的制作方法①制作聚合物凸點(diǎn)“芯子”②柔性凸點(diǎn)的金屬化9．疊層凸點(diǎn)制作法新型的BBUL封裝技術(shù)——無(wú)凸點(diǎn)疊層封裝(BBUL)技術(shù)全新技術(shù)將要取代傳統(tǒng)的倒裝芯片封裝(FC)美式三明治的設(shè)計(jì)方法3um厚的銅墊取代FC中的90umbump的高度，整體高度可縮減至FC的一半，約0.9mm目前封裝技術(shù)的一種革命性改進(jìn)。技術(shù)水平估計(jì)CPU的寄生電感降低至少30%，處理器的功耗可降低至少25%表面疊層布線工藝中可能容易出現(xiàn)某些缺陷，這樣會(huì)嚴(yán)重影響到自身的成品率。由于半導(dǎo)體材料和基板材料之間存在熱膨脹系數(shù)差異，所以在進(jìn)行表面疊層布線的時(shí)候可能會(huì)引起布線的龜裂現(xiàn)象2．4．4凸點(diǎn)芯片的FCB技術(shù)熱壓FCB法、再流FCB法(C4)、環(huán)氧樹(shù)脂光固化FCB法各向異性導(dǎo)電膠粘接FCB法。(1)熱壓FCB法針對(duì)凸點(diǎn)類型：Au凸點(diǎn)、Ni-Au凸點(diǎn)、Cu凸點(diǎn)、Cu—Pb-Sn凸點(diǎn)的FCB倒裝焊接機(jī)是由光學(xué)攝像對(duì)位系統(tǒng)、撿拾熱壓超聲焊頭、精確定位承片臺(tái)及顯示屏等組成的精密設(shè)備。avi(2)再流FCB法這種焊接方法專對(duì)各類Pb-Sn焊料凸點(diǎn)進(jìn)行再流焊接，俗稱再流焊接法。這種FCB技術(shù)最早起源于美國(guó)IBM公司，又稱C4技術(shù)，即可控塌陷芯片連接C4技術(shù)是國(guó)際上最為流行并且最有發(fā)展?jié)摿Φ暮噶贤裹c(diǎn)制作FCB技術(shù)，因?yàn)樗梢圆捎肧MT在PWB板上直接進(jìn)行芯片貼裝并倒裝焊。自對(duì)準(zhǔn)過(guò)程C4技術(shù)倒裝焊的特點(diǎn)①C4除具有一般凸點(diǎn)芯片F(xiàn)CB的優(yōu)點(diǎn)外，它的凸點(diǎn)還可整個(gè)芯片面陣分布，再流時(shí)能夠彌補(bǔ)基板的凹凸不平或扭曲等.②倒裝焊時(shí)Pb-Sn焊料熔化再流時(shí)較高的表面張力會(huì)產(chǎn)生“自對(duì)準(zhǔn)”效果，這就使對(duì)C4芯片倒裝焊時(shí)的對(duì)準(zhǔn)精度要求大為寬松，如果凸點(diǎn)直徑為100～150μm，對(duì)準(zhǔn)精度只要達(dá)到50～70μm就可以了。這種自對(duì)準(zhǔn)能力，對(duì)于光電器件封裝非常有用，因?yàn)槔肅4技術(shù)，可使光電器件封裝中的波導(dǎo)和光纖連接自對(duì)準(zhǔn)精度達(dá)到±1μm(3)環(huán)氧樹(shù)脂光固化FCB法使用光固化樹(shù)脂的倒裝焊法工藝簡(jiǎn)便，不需昂貴的設(shè)備投資，故倒裝焊成本低，是一種很有發(fā)展前途的倒裝焊技術(shù)。日本曾用這種方法對(duì)6mm×6mm芯片成功地倒裝焊，Au凸點(diǎn)僅為5μm×5μm，節(jié)距只有10μm，載有2320個(gè)微凸點(diǎn)。與一般倒裝焊截然不同的是，這里是利用光敏樹(shù)脂光固化時(shí)產(chǎn)生的收縮力將凸點(diǎn)與基板上金屬焊區(qū)牢固地互連在一起，不是“焊接”．而是“機(jī)械接觸”。(4)各向異性導(dǎo)電膠FCB法先在基板上涂覆ACA，將帶有凸點(diǎn)的IC芯片與基板上的金屬焊區(qū)對(duì)位后．在芯片上加壓并進(jìn)行ACA固化，這樣，導(dǎo)電粒子擠壓在凸點(diǎn)與焊區(qū)之間，使上下接觸導(dǎo)電，而在xy平面各方向上導(dǎo)電粒子不連續(xù)，故不導(dǎo)電。

ACA有熱固型、熱塑型和紫外光(UV)固化型幾種，而以UV型最佳，熱固型次之。UV型的固化速度快，無(wú)溫度梯度，故芯片和基板均不需加熱，因此不需考慮由UV照射同化產(chǎn)生的微弱熱量引起的熱不匹配問(wèn)題。UV的光強(qiáng)可在l500mW/cm2以上，光強(qiáng)越強(qiáng)，固化時(shí)間越短。一般照射數(shù)秒后，讓ACA達(dá)到“交聯(lián)”，這時(shí)可去除壓力，繼續(xù)光照，方可達(dá)到完全固化。光照時(shí)需加壓，100μm×100μm的凸點(diǎn)面積，需加壓0.5N/凸點(diǎn)以上設(shè)置尖峰狀的絕緣介質(zhì)壩(5)各類倒裝焊工藝方法的比較3．倒裝焊接后的芯片下填充倒裝焊后，在芯片與基板間填充環(huán)氧樹(shù)脂，不但可以保護(hù)芯片免受環(huán)境如濕氣、離子等污染，利于芯片在惡劣的環(huán)境下正常工作，而且可以使芯片耐受機(jī)械振動(dòng)和沖擊。特別是填充樹(shù)脂后可以減少芯片與基板間熱膨脹失配的影響，即可減小芯片凸點(diǎn)連接處的應(yīng)力和應(yīng)變。此外，由于填充使應(yīng)力和應(yīng)變?cè)俜峙?，從而可避免遠(yuǎn)離芯片中心和四角的凸點(diǎn)連接處的應(yīng)力和應(yīng)變過(guò)于集中。這些最終可使填充芯片的可靠性比無(wú)填充芯片的可靠性提高10～l00倍。(2)填料的填充方法倒裝焊芯片下填充的環(huán)氧樹(shù)脂填料應(yīng)滿足如下的要求：①填料應(yīng)無(wú)揮發(fā)性，因?yàn)閾]發(fā)能使芯片下產(chǎn)生間隙，從而導(dǎo)致機(jī)械失效。②應(yīng)盡可能減小乃至消除失配應(yīng)力，填料與倒裝芯片凸點(diǎn)連接處的z方向CTE應(yīng)大致匹配。③為避免PWB產(chǎn)生形變，填料的固化溫度要低一些。④要達(dá)到能耐熱循環(huán)沖擊的可靠性，填料應(yīng)有高的玻璃轉(zhuǎn)化溫度。⑤對(duì)于存儲(chǔ)器等敏感器件，填充α放射性低的填料至關(guān)重要。⑥填料的粒子尺寸應(yīng)小于倒裝焊芯片與基板間的間隙，以達(dá)到芯片下各處完全填充覆蓋。⑦在填充溫度操作條件下的填料粘滯性要低，流動(dòng)性要好，即填料的粘滯性應(yīng)隨著溫度的提高而降低。⑧為使倒裝焊互連具有較小的應(yīng)力，填料應(yīng)具有較