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FC封装之倒装芯片凸点工艺与倒装芯片封装洗濯先容

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倒装芯片凸点工艺

芯片凸点是FC互连中的要害组成部分之一,具有在芯片与基板间形成电毗连、形成芯片与基板间的结构毗连以及为芯片提供散热途径三个主要功效。

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1、凸点下金属化层  


在芯片外貌金属层上制备芯片凸点时,为了避免封装中的金属及污染离子向芯片外貌金属层扩散造成侵蚀或形成硬脆的金属间化合物(Intermetallic Compound,IMC),降低互连系统的可靠性,需要在芯片外貌金属层与芯片凸点之间添加凸点下金属化层(Under Bump Metallurgy,UBM)结构作为过渡层。如图3所示,UBM结构包括笼罩在芯片金属层上的粘接层、阻挡层、润湿层和抗氧化层。


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其中,粘接层能够增强凸点和芯片金属化层、芯片钝化层之间的粘接力,提供牢靠的键合界面,典范的粘接层质料有Cr、Ti、Ni、W、TiW和锌酸盐等。

阻挡层的作用是避免金属、污染离子向芯片金属层和粘接层扩散,阻挡层质料常接纳Cr、W、Ti、TiW、Ni或Cr-Cu。阻挡层上面是润湿层,可以为其上的凸点提供润湿工具,与凸点爆发反应天生IMC并形成键合,典范的润湿层金属有Cu、Ni、Pd和Pt。UBM的最外层是可选择使用的抗氧化层,目的是避免润湿层的氧化,主要质料为很薄的Au层。

UBM的制作主要由物理气相沉积(Physical Vapor Deposition,PVD)工艺完成,PVD可分为蒸镀(Evaporation)和溅射(Sputtering)两种,前者使用高温将金属熔融蒸发后镀覆于晶圆上,后者使用高速粒子攻击靶材引发出的靶材外貌原子或分子落在晶圆上,两种工艺均需在真空条件下完成K剂康秸舳票厩细,现在UBM大都由溅射工艺制作。

2、C4凸点  


最早的FC晶圆C4凸点制造手艺是IBM公司开发的蒸镀工艺,现在最常用的要领是电化学沉积或电镀工艺。

芯片凸点的蒸镀工艺流程如下:将钼掩模板对中至晶圆,在晶圆上蒸镀UBM层后举行焊料的蒸镀,随后移去掩模板,最后通过回流焊使焊料成为平滑的球型。

蒸镀工艺的弱点是蒸镀工艺较低的质料使用率增添了本钱,同时蒸镀工艺获得的凸点节距较大,较难应用于细节距芯片。

芯片凸点的电化学沉积或电镀工艺如图4(a)所示,接纳溅射要领沉积UBM,然后在UBM层上涂覆光刻胶,使用掩模板举行紫外线曝光,界说凸点的位置和形状,在凸点位置电镀一层Cu作为润湿层,然后电镀焊料,剥离光刻胶并用过氧化氢或等离子蚀刻去除其他位置多余的UBM,最后对晶圆举行回流,在外貌张力的作用下形成平滑的球型C4焊料凸点。

电镀工艺举行焊料凸点制作的本钱效益好、良率高、速率快且凸点密度高。焊料还可以通过焊膏的丝网印刷工艺来实现,沉积UBM后,使用自动漏印板或丝网印刷连系细密漏印板,对特制的焊膏举行刮板印刷获得焊料图形,并接纳回流焊的方法使焊料凸点变为球型。这种要领虽然本钱较低,可是所得凸点的形状粗糙,且无法制作细节距凸点。

焊料凸点的质料可以被分为三种:熔点凌驾250℃的高温焊料(95%Pb-5%Sn与97%Pb-3%Sn等)、熔点为200℃~250℃的中温焊料(96.5%Sn-3.0%Ag-0.5%Cu,99%Sn-0.3%Ag-0.7%Cu与96.5%Sn-3.5%Ag等)以及熔点低于200℃的低温焊料(37%Pb-63%Sn共晶,42%Sn-58%Bi共晶以及48%Sn-52%In等)。

C4工艺可以抵达较薄封装形状和较高引脚密度的要求,且具有电性能优良以及凸点芯片可返修等优点。别的,C4焊料凸点在熔融历程中的外貌张力还可以资助焊料与金属层举行自瞄准,在一定水平上降低了对沉积精度及贴片精度的要求,一样平常C4凸点芯片的焊料回流焊凸点节距可以小至50μm。

在举行芯片与基板之间键合的历程中,大大都C4凸点接纳的键合要领为回流焊工艺。涂敷助焊剂后,将FC外貌向下对齐贴装至底部芯片或基板,举行回流焊。

回流焊工艺历程中,焊料融化并润湿底部芯片或基板的手艺层,外貌张力作用下FC和底部芯片或基板爆发自瞄准并形成冶金连系。冶金连系的历程即焊料与金属层爆发反应天生稳固的IMC的历程,Cu6Sn5与Cu3Sn是键合历程中最常见的IMC,爆发于Sn基焊料与Cu爆发反应时。

3、Cu柱凸点      



随着IC集成度的提高,芯片凸点需要知足细节距以及极细节距芯片的要求。而C4凸点回流后呈球型,尺寸较大,在节距较小时容易爆发短路。因此,需要使用其他手艺举行细节距芯片的凸点制作,C2(Chip Connection)手艺是其中的主流手艺之一。

C2手艺中使用的Cu柱直径不受高度影响,可以实现更细节距凸点的制备,Cu柱可以分为不带焊料帽以及带焊料帽的Cu柱。C2凸点的制造工艺基本与C4凸点相同,如图4(b)所示,只不过电镀历程中不再是电镀焊料而改为电镀Cu。

在带焊料帽Cu柱制造历程中,除了电镀Cu还会在Cu柱上再电镀一层厚度较薄的焊料帽。由于Cu的热导率(400W/m·k)和电阻率(0.0172μΩ·m)都优于焊料(55W/m·k~60W/m·k和0.12μΩ·m~0.14μΩ·m),因此与C4 手艺相比,C2凸点有更好的电性能、热性能和力学性能。

可是由于C2凸点的焊料体积很是小,甚至在不带焊帽的Cu柱凸点中没有焊料的保存,C2凸点的外貌张力缺乏以执行Cu柱与焊帽的自瞄准,故C2凸点的自瞄准性不如C4 焊料凸点。


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C2凸点的回流焊键合工艺历程与C4相同,涂敷助焊剂后,将FC对齐至底部芯片或基板,随后通过回流焊举行键合,C2回流焊凸点的间距可以小至25μm。

近年来,具有C2凸点的芯片向硅、陶瓷或有机封装基板的热压键合成为研究热门。C2凸点热压键合历程如下:在焊料盖、基板或两者外貌都涂覆助焊剂,随后将FC拾取并瞄准安排在基板上,施加温度熔化焊料的同时,施加较小的压力将芯片牢靠在离底部芯片或基板一定距离的位置。

与回流焊相比,C2凸点的热压键合只能举行单个芯片的封装,因此封装效率较低,可是这种封装要领可以使芯片上的Cu柱间距小至8μm。

不带焊帽的Cu柱还可以接纳Cu对Cu直接键合的要领举行键合,Cu-Cu扩散键合可以知足超细节距和超小焊盘尺寸的要求,焊盘间距小至5μm。为了镌汰氧化物天生对键合质量和可靠性的影响,Cu-Cu键合通常使用热压键合的要领在高温(约400°C)、高压和长时间(60min~120min)下举行,这对封装的效率和可靠性都很是倒运。

Cu-Cu键合也可以在室温下举行,但室温键合在提高封装效率、降低本钱的同时,也必需知足焊盘/布线/晶圆的平面化、包管键合外貌平整及很是高的清洁室品级等要求,才华获得高质量键合。Cu-Cu键合现在主要用于晶圆对晶圆(Wafer to Wafer,W2W)组装,还没有大规模生产及应用。

4、FC芯片封装洗濯的污染物与洗濯剂选择:

水基洗濯的工艺和装备设置选择对洗濯细密器件尤其主要,一旦选定,就会作为一个恒久的使用和运行方法。水基洗濯剂必需知足洗濯、漂洗、干燥的全工艺流程。

污染物有多种,可归纳为离子型和非离子型两大类。离子型污染物接触到情形中的湿气,通电后爆发电化学迁徙,形成树枝状结构体,造成低电阻通路,破损了电路板功效。非离子型污染物可穿透PC B 的绝缘层,在PCB板表层下生长枝晶。除了离子型和非离子型污染物,尚有粒状污染物,例如焊料球、焊料槽内的浮点、灰尘、灰尘等,这些污染物会导致焊点质量降低、焊接时焊点拉尖、爆发气孔、短路等等多种不良征象。

这么多污染物,究竟哪些才是最备受关注的呢?助焊剂或锡膏普遍应用于回流焊和波峰焊工艺中,它们主要由溶剂、润湿剂、树脂、缓蚀剂和活化剂等多种因素,焊后必定保存热改性天生物,这些物质在所有污染物中的占有主导,从产品失效情形来而言,焊后剩余物是影响产品质量最主要的影响因素,离子型残留物易引起电迁徙使绝缘电阻下降,松香树脂残留物易吸附灰尘或杂质引发接触电阻增大,严重者导致开路失效,因此焊后必需举行严酷的洗濯,才华包管电路板的质量。

尊龙凯时科技研发的水基洗濯剂配合合适的洗濯工艺能为芯片封装条件供清洁的界面条件。

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