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半导体芯片倒装毗连手艺细节剖析与倒装芯片封装洗濯先容

一、什么是倒装芯片?

倒装芯片组装就是通过芯片上的凸点直接将元器件朝下互连到基板、载体或者电路板上。而导线键合是将芯片的面朝上。

倒装芯片元件是主要用于半导体装备;而有些元件如无源滤波器 ，探测天线 ，存储器装备也最先使用倒装芯片手艺 ，由于芯片直接通过凸点直接毗连基板和载体上 ，因此更确切的说 ，倒装芯片也叫DCA(Direct Chip Attach)


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二、倒装手艺手艺细节

在半导体芯片倒装毗连的历程中 ，有许多前后处置惩罚的工序 ，以下详细先容倒装工艺的相关细节：


1. 第一步：凸点下金属化（UBM ，under bump metallization）
倒装毗连第一步需在芯片外貌制作凸点手艺 ，倒装毗连的实质是芯片上的凸点与基板上的凸点(凹槽)毗连 ，半导体外貌的金属化有以下几种方法：
(a)溅射:用溅射的要领一层一层地在硅片上沉积薄膜 ，然后通过照相平版手艺形成UBM图样 ，然后刻蚀掉不是图样的部分。
(b)蒸镀:使用掩模 ，通过蒸镀的要领在硅片上一层一层地沉积。这种选择性的沉积用的掩？捎糜诙杂Φ耐沟愕男纬芍。
(c)化学镀:接纳化学镀的要领在Al焊盘上选择性地镀Ni。经常用锌酸盐工艺对Al外貌举行处置惩罚。无需真空及图样刻蚀装备 ，低本钱。
下图是半导体芯片举行凸点金属化(UBM)的流程：


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由于铝焊盘外貌有一层氧化物 ，镀层金属无法粘附在氧化的外貌上 ，因此要对铝外貌举行适当的处置惩罚以扫除氧化物层。


一样平常的要领是在铝焊盘上接纳锌酸盐处置惩罚(zincation) ，该手艺是在铝的外貌沉积一层锌 ，避免铝爆发氧化 ，镀锌工艺的一个弱点是铝也会被镀液侵蚀掉 ，因此需要接纳二次镀锌工艺 ，在举行镀锌工艺中 ，有0.3-0.4mm厚的铝将被侵蚀掉。在镀锌历程中 ，锌沉积在铝外貌 ，而同时铝及氧化铝层则被侵蚀掉。锌掩护铝不再爆发氧化 ，锌层的厚度很薄。
在举行镀锌工艺后 ，进一步接纳化学镀镍用作UBM的沉积 ，金属镍起到毗连/扩散阻挡的作用。镍的扩散率很是小 ，与焊料也险些不爆发反应 ，它仅与锡有缓慢的反应 ，因此很是适相助为共晶焊料的UBM金属。化学镀镍既可以用于UBM金属的沉积 ，也可以用来形成凸点。在部分倒装凸点的外貌会进一步镀金 ，由于金导电性能好 ，且不易氧化 ，可增添倒装毗连的可靠性。
2. 第二步: 回流形成凸点
焊料凸点要领有蒸镀焊料凸点、电镀焊料凸点、印刷焊料凸点、钉头焊料凸点、放球凸点、焊料转移凸点等差别工艺 ，其中电镀焊料及印刷焊料工艺使用较普遍。
在半导体外貌凸点金属化后 ，通过回流炉将金属化部分形成倒装球。
回流形成凸点的大致历程如下图所示：



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其中电镀焊料凸点的详细形成历程如下图：

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凸点常用的质料是Pb/Sn合金 ，由于其回流焊特征好 ，适合工业化生产。


除了常见的Pb/Sn合金 ，凸点也有Au/Ni合金等凸点质料 ，为了包管可靠的互连 ，UBM必需与用于凸点的焊料合金相容。适合高铅的UBM纷歧定适合高锡焊料。例如Cu润湿层合适于含锡3-5%的高铅焊料 ，可是不适合于高锡焊料 ，由于Cu与Sn反应迅速而天生Sn-Cu金属间化合物。若是Cu被消耗完毕 ，焊料将与焊区不润湿。
下图是差别的凸点材质件的倒装毗连：


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芯片外貌形成的凸点在扫描电镜下视察到的外观如下图所示：

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下图中的左图是回流（高温）前的凸点状态 ，右图是经高温后的凸点状态 ，经高温后凸点融化成球形。

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化学镀UBM和丝网印刷工艺(Electroless UBM and Stencil Printing)是工业应用中低本钱倒装焊凸点制备要领。


以下是丝网印刷凸点制作流程（Stencil Printing Process Flow）及完成后的凸点形貌：



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3. 第三步：倒装芯片组装


此工序是将完成凸点制作的芯片与载板举行倒装互联。
热压倒装手艺是芯片与载板毗连的常用要领 ，最合适的凸点质料是金 ，凸点可以通过古板的电解镀金要领天生 ，或者接纳钉头凸点要领 ，后者就是引线键合手艺中常用的凸点形成工艺。
关于热压倒装手艺 ，由于压力较大 ，温度也较高 ，这种工艺仅适用于刚性基底 ，如氧化铝或硅。另外 ，基板必需包管较高的平整度 ，热压头也要有较高的平行瞄准精度。为了阻止半导体质料受到不须要的损害 ，施加压力时应该有一定的梯度。



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4.第四步：底部填充与固化


倒装毗连后已完成了芯片与基板的毗连 ，为了提高倒装稳固性 ，会在倒装后的芯片与基板之间接纳填充胶加固 ，填胶工艺如下图所示：


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芯片与基底之间的底部填充质料使毗连对抗热疲劳的性能显著提高 ，若是没有底部填充 ，则热疲劳将是倒装芯片主要的可靠性问题。


(a)底部填充质料将集中的应力疏散到芯片的塑封质料中去。
(b)可阻止焊料蠕变 ，并增添倒装芯片毗连的强度与刚度。
(c)掩护芯片免受情形的影响（湿气、离子污染等）。
(d)使得芯片耐受机械振动与攻击。


三、倒装芯片封装洗濯先容与洗濯剂选择：

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。

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