先进封装之芯片热压键合手艺简介

回首已往五六十年
，先进逻辑芯片性能基本凭证摩尔定律来提升。提升的主要动力来自三极管数目的增添来实现
，而单个三极管性能的提高对维护摩尔定律只是起到帮手的作用。随着SOC的尺寸逐步迫近光罩孔极限尺寸(858mm2)以及制程的缩小也变得很是艰难且性价比遇到挑战, 多芯片封装手艺来到了舞台的中心成为进一步提升芯片性能的要害。覆晶键合手艺已然成为先进多芯片封装最主要的手艺之一。

只管某些基于晶圆级或者面板级扇出型封装的工艺流程可以不必到覆晶封装
，可是这个手艺偏向有其自己的应用局限性。好比其现在量产重布线层的层数大多在五层以内
，使其不太适合效劳器芯片的封装。现在最常见的基于焊球的覆晶键合封装手艺一共有三种：回流焊（mass reflow）, 热压键合（Thermo Compression Bonding or TCB）和激光辅助键合（Laser Assisted Bonding, or LAB）
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，我们会在后续的文章中讨论现在最具希望能进一步缩小的bump间距（bump pitch scaling down）的要领
，好比混淆键合（Hybrid bonding）和铜铜直接热压键合等等。

热压键合工艺的基来源理与古板扩散焊工艺相同
，即上下芯片的Cu 凸点对中后直接接触
，着实现原子扩散键合的主要影响参数是温度、压力、时间. 由于电镀后的Cu 凸点外貌粗糙并保存一定的高度差
，以是键合前需要对其外貌举行平展化处置惩罚
，如化学机械抛光(chemical mechanical polishing,CMP)
，使得键适时Cu 外貌能够充分接触. 基于现在研究文献
，通过热压键合工艺实现Cu-Cu 低温键合的要领从机理上可分为两类
，即提高Cu 原子扩散速率和避免/镌汰待键合Cu 外貌的氧化.

表一在high level总结了这三种基于焊球的覆晶键合封装手艺的优弱点。 可以看到没有一种键合方法是完善的。关于某个产品来说
，使命是要找到最合适的键合要领。作为本文的重点
，热压键合最大的优势是对die和基板（可以是substrate, another die or wafer or panel）的更为精准的控制。

表一：基于焊球的覆晶键合手艺

接下来我们着重讨论一下高端的逻辑芯片的键合方法为什么逐步从回流焊键合过渡到热压键合。图一（a）给出了一种常见的回流焊芯片键合流程。先将芯片上的bumps沾上助焊剂（flux）或者在基板上的C4 (controlled-collapse chip connection)区域喷上定量的助焊剂。然后用贴片装备将芯片相对较量精准地放到基板上。然后将芯片(die)和基板整体放到一个回流焊炉子里。常见的回流焊的温度控制由图一（b）给出。整个回流焊的时间通常在5到10分钟。虽然时间很长
，但由于这是批量处置惩罚
，一个回流焊炉同时可以容纳很是大宗的加工产品。以是整体的吞吐量照旧很是高的
，通
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，或者更高。

凭证所使用的回流锡膏的种类
，回流温度的峰值一样平常控制在240?C到260?C。在回流键合后通常我们需要去除助焊剂和加CUF (Capillary Underfill毛细管底部填充料)来填充bump之间的逍遥来提供产品的可靠性。常见的回流焊历程中
，我们差池芯片和基板做过多限制。这导致芯片和基板的曲翘得不到有用的控制
，使得在芯片与基板之间的距离（chip gap height）在芯片面下的转变很是大。过大的曲翘导致NCO（noncontacted opening 虚焊）和SBB（solder ball bridging 桥接）这两类最为常见的缺陷
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，使得回流焊不再是最合适的键合方法。

回流焊芯片键合的良品率跟诸多因素有关
，常见的有芯片巨细和厚度
，bump间距（pitch）
，基板的厚度
，热膨胀系数（CTE）的不匹配（mismatch）
，如图二所示。同时bump pitch的进一步减小也进一步增添SBB的概率。另外值得指出的是
，纵然没有爆发NCO和SBB缺陷
，过大的chip gap height转变和过大的曲翘对下游的封装办法也带来了重大的挑战。

图一：常见的回流焊芯片键合流程

图二：常见的回流焊芯片键合的良品率和芯片巨细和厚度的关系

图三给出了常见的热压键合bonder的结构
；搴托酒加懈髯缘募尤茸爸。取决于锡膏的种类
，通
；寤岜患150?C到200?C之间
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，从而基板的曲翘获得了很好地控制。芯片同样被真空约束在很是平整的bond head上
，响应的芯片的曲翘也获得了很好地控制。

芯片和基板之间的瞄准需要很是精准
，其中包括XY平面内的alignment
，芯片和基板之间距离（Z偏向上的控制）以及相对的倾斜（tip tilt)。通常alignment的精度要求要抵达±3 ?m 3 sigma的要求。键合区域的氧气浓度过高会对键合爆发倒运影响
，好比孔洞（voids）的形成从而影响键合强度。区别于回流焊的5到10分钟的时长
，热压键合整个历程或许只需要在1秒到5秒之间。可是由于热压键合是一个芯片一个芯片的键合而不是像回流焊那样批量举行的
，以是热压键合的吞吐量约莫只有回流焊的1/5。加上热压键合的装备通常比回流焊的装备要贵不少
，这两个缘故原由导致热压键合的本钱比回流焊键合要高。

另外
，由于键合所需的热量主要由bonder head的加热器所提供
，C4的热量会向基板边沿扩散。这导致在C4边沿要比中心温度低不少。这使得热压键合的峰值温度要远超锡膏的融化温度通常在300°C以上。跟回流焊峰值温度相比
，过高的热压键合温度给键合质料的选取
，键合工艺的稳固性以及产品的可靠性带来不小的挑战。

前面提到回流焊键合
，由于熔融的锡膏为了降低外貌能从而有自校正的能力
，这个能力能够资助芯片的bumps在回流焊后更准确的跟基板的bumps瞄准。然后在热压键合中
，由于芯片和基板在锡膏熔融状态下都被约束着
，因此失去这个优势。幸亏现在绝大大都的热压键合装备对芯片和基板相对的安排精度可以做得很是好
，有些可以抵达±2 μm 精度with 3σ。ASM Pacific
，Kulicke&Soffa
，Besi以及Toray等是现在最常见的热压键合装备供应商。

现在国产装备商也是起劲结构该领域
，例如华封
，唐人制造等等。各个厂商的热压键合装备可以有各自的特色
，可是他们的装备都在以下方面举行种种优化：位置控制精度
，倾斜/并行度控制精度, 快速且准确的温度控制
，精准的bonding force的丈量和控制
，芯片和基板的真空吸附控制
，装备的稳固性
，统一型号装备差别性的镌汰
，产能（throughput）的提高
，装备本钱的下降
，装备占地面积的镌汰等等。

图三：常见的热压键合bonder的结构

基于回流焊和热压键合的chip gap height (CGH)差别性在图四中给出。对这个特定的产品来说
，基于回流焊键合的产品的CGH规模从70 ?m到100 ?m 
，云云大的CGH variation使得键合的加工窗口（process margin）很是低。只要来料的差别性稍大
，就可能导致生产良品率的下降。相比之下
，基于热压键合的产品的CGH转变规模约莫只有5?m。小的CGH variation不但能资助提高键合自己的process margin
，并且能资助镌汰下游封装测试流程中的来料的差别性从而使得下游的封测办法更稳固。

图四：基于回流焊和热压键合的Chip gap height

接下来
，我们或许地讲一下最常见的TCCUF (Thermo compression boding with Capillar UnderFill）热压键合办法流程
，整个历程通常在1-5秒

1.将基板真空吸附到很是平整的pedestal上
，并通常加热到150?C到200?C。将基板的温度设定尽可能的高来镌汰键适时间。

2.在基板的C4区域喷涂上足量的助焊剂 。

3.将bond head加热到150?C到200?C之间
，并用bond head去Pick up芯片。

4.用up-looking和down-looking相机来确定芯片和基板的相对位置
，通过校准过的算法算出芯片所需的空间位置调解来完全比照基板的bumps
，通过装备上细密的机械控制来完成这个办法。

5.然后将bond head连带吸附的芯片一起以sub um的精度靠近基板。此时芯片和基板都处在锡球融化温度以下
，以是锡球都是固体。锡球可以是在基板上也可以在芯片上或者两者都有。

6.在下降历程中bond head一直处在压力敏感控制
，既举行着很是迅速且实时的力丈量。

7.当芯片和基板接触的那瞬间
，系统探测到一个压力上的转变
，从而判断接触爆发同时迅速将 bond head从压力敏感控制转为压力和位置配合控制。

8.此时通过bond head上的加热装置迅速将芯片加热至300?C以上。值得指出的是热压键合的温度转变率一样平常都是在100 ?C/s。相比之下
，回流焊键合的温度转变率要低许多
，通常在2 ?C/s。

9.当锡球处于熔融状态时
，通过bond head对芯片的准确位置控制来确保每对bumps都键合上
，且将chip gap height控制在合理的规模内。值得指出的是
，在加热的历程中
，真个系统都会热膨胀
，这部分的膨胀需要bond head位置的准确控制来抵消。

10.将bond head的温度迅速冷却至锡球熔点以下
，使得锡球变为固相。通常冷却温度转变率要比加热温度转变率要低一些
，通常在?50 °C/s。

11.关闭bond head对芯片的真空吸附
，芯片跟bond head疏散。芯片键合在基板上移出热压键合装备
，键合完成。

为了更好地说明热压键合要害办法
，我们用下图的一个bonding profile作为一个例子来进一步诠释。事实上
，基于差别的产品
，bonding profiles可以很是差别。所有这些bonding profiles的实现都基于热压键合装备对温度
，压力
，位置等的准确控制。如图五（a）所示
，红线
，蓝线和黑线划分代表bond head的温度
，压力
，位移随时间的曲线。当bond head探测到压力转变就说明芯片和基板已经触碰
，迅速将芯片和基板加热到锡球熔点以上。关于通常的SAC305锡球(96.5% Sn, 3% Ag, and 0.5% Cu)
，这个温度约莫要到300 °C以上。由于重大的温度梯度
，纵然C4中心的bumps可能已经在300°C以上了
，可是在C4边沿的锡球可能委屈的锡球熔点以上。

正是这个缘故原由
，通常bond head的峰值温度要远高于锡球熔点。图中蓝线显示在加热历程中
，bond head是处在恒定压力控制模式直到锡球融化。由于锡球融化压力瞬间下降
，取决于所选择的chip gap height
，此时bond head由原来的压力可能酿成拉伸力。此时我们调解bond head的崎岖位置来坚持恒定压力控制
，这个位置的调解也可以用来填补整个装备的热膨胀带来的影响。通常我们会在探测到锡球融化后
，继续将芯片向下压5到10μm。这么做的主要缘故原由是solder bumps的崎岖并纷歧致
，通常coplanarity可能就在5到10 μm这个规模。Bond head可能会继续下压更多来确保没有NCO(on-contact open). 随后Bond head也可能上升来将chip gap height控制在一个合理的规模内。然后bond head迅速降温至锡球熔点以下来完成键合。

图五：热压键合的bonding profile, 已经键合历程

凭证填充质料的差别
，热压键合又可以分为TCNCF（Thermo compression boding with Non Conductive Film）, TCNCP(Thermo compression boding with Non Conductive Paste）, TCCUF(Thermo compression boding with Capillar UnderFill）, TCMUF(Thermo compression boding with Molded UnderFill）等等。取决于基板质料的差别
，热压键合又可以分为Chip-to-Substrate (C2S) and Chip-to-Wafer (C2W) 
，Chip-to-Chip (C2C) 和Chip-to-Panel. 我们将在以后的文章中进一步讨论这些。