采用热压焊工艺实现金凸点芯片的倒装焊接_张彩云

采用热压焊工艺实现金凸点芯片的倒装焊接

张彩云,霍灼琴,高敏,张晨曦

(中国电子科技集团公司第二研究所,山西　太原　030024)

摘　要:金凸点芯片的倒装焊接是一种先进的封装技术。叙述了钉头金凸点硅芯片在高密度薄膜陶瓷基板上的热压倒装焊接工艺方法,通过设定焊接参数达到所期望的最大剪切力,分析研究

互连焊点的电性能和焊接缺陷,实现了热压倒装焊工艺的优化。同时,还简要介绍了芯片钉头金凸点的制作工艺。

关键词:倒装焊;热压焊;金凸点芯片;薄膜基板中图分类号:T N 60 文献标识码:A 文章编号:1001-3474(2008)01-0028-03

A s s e m b l y o f F l i pC h i pG o l d

B u m p s Wi t h

T h e r m o -c o m p r e s s i o nB o n d i n g P r o c e s s

Z H A N G C a i -y u n ,H U O Z h u o -q i n ,G A OMi n ,Z H A N G C h e n -x i (C E T CN o .2R e s e a r c hI n s t i t u t e ,T a i y u a n 030024,C h i n a

A b s t r a c t :A s s e m b l y o f f l i pc h i pg o l db u m p s i s a na d v a n c e de l e c t r o n i c p a c k a g i n g t e c h n o l o g y .D e -s c r i b e t h e a s s e m b l y o f S i c h i p s b u m p e d A u s t u d s o n h i g h d e n s i t y t h i c k f i l mc e r a m i c s u b s t r a t e s w i t h t h e r m o -c o m p r e s s i o n b o n d i n g .I n o r d e r t o o p t i m i z e t h e t h e r m o -c o m p r e s s i o n b o n d i n g p r o c e s s ,t h e b o n d i n g p a -r a m e t e r s w e r e o p t i m i z e d w i t h r e s p e c t t o t h e m a x i m u ms h e a r s t r e n g t h ,e l e c t r i c a l q u a l i t y o f t h e i n t e r c o n n e c -t i o n a n d p o s s i b l e d e f e c t s o n c h i p w e r e i n v e s t i g a t e d .S i m u l t a n e i t y i n t r o d u c e t h e b u m p i n g t e c h n o l o g y o f A u

s t u d s o f c h i p s .

K e y w o r d s :F l i p C h i p a s s e m b l y ;T h e r m o -c o m p r e s s i o n b o n d i n g ;G o l d b u m p s ;T h i c k f i l m s u b s t r a t e s D o c u m e n t C o d e :A A r t i c l e I D :1001-3474(2008)01-0028-03

近年来,电子工业产品向小型化、高密度和多功能性方向发展,电子组装和封装技术是实现此目的的关键技术之一。多功能和小型化将直接转化为高密度芯片互连工艺,需要载带自动焊(T A B )和倒装焊接(F C )等先进组装技术。与其它组装技术相比,倒装焊技术具有较高的互连密度和优越的高频、低延迟、低串扰的电路特性,因此越来越受到关注,将成为芯片互连技术的主流,广泛地应用于先进电子器件和组件的封装制造。

热压焊工艺是通过加热和加压,使焊区发生塑形变形,同时破坏压焊界面上的氧化层,从而使原子间产生吸引力达到“键合”,此外由于两金属界面的

不平整,加热加压也可使上下金属相互镶嵌,从而达到焊接的目的。热压焊工艺已在液晶显示(L C D )的玻璃板上芯片(C O G )和光电器件中的铟凸点芯片焊接中成功应用。而金凸点芯片的倒装焊接常规使用热超声焊接工艺完成。本文所述内容是在借鉴国外先进工艺的基础上,开展的金凸点芯片的热压倒装焊接技术研究。1　芯片凸点制作

倒装互连工艺已研发出基于焊料和胶剂技术的多种方法,其中大多数方法需要采用半导体圆片后道工艺制作芯片凸点。然而许多场合需要更柔性的凸点制作方法,即在划片后的标准芯片上单独形成

作者简介:张彩云(1969-),女,毕业于燕山大学,高级工程师,主要从事微电子专用设备及其工艺技术的研究工作。

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电子工艺技术E l e c t r o n i c s P r o c e s s T e c h n o l o g y

第29卷第1期

2008年1月　

DOI :10.14176/j .issn .1001-3474.2008.01.008

凸点。本文所采用的是利用标准丝焊工艺形成钉头金凸点。钉头金凸点工艺最初是由T A B 中形成内引线凸点的方法研发的,但是后来也逐步应用于倒装焊技术中。

所使用的实验芯片参数为:芯片尺寸为6m m×6m m ,28个凸点四周分布,凸点间距200μm ,凸点金属层为1μm 厚T i W/A L ,钝化层为300n m 厚S i 3N 4,具备接触电阻和电性能的测试功能。芯片钉头金凸点制作步骤如下所述:首先用合适的丝焊机参数见表1。在芯片焊盘上进行金丝球焊接,弧度设置应设定为最小值,以使焊头上升度最小化;在同一位置形成第二个焊点时,应使用最小参数值;焊头的线夹张开以便为下一次焊球制作提供足够的金丝材料。焊头上升到一定高度后,线夹闭合,同时焊头产生一个稍微向上运动使金丝断开。该种场合所用的金丝通常具有较低的延伸性,确保尾丝的重复成形,并且所用金丝直径为32μm (含有质量分数为1%的P d )。所形成的典型钉头金凸点如图1所示。

表1　丝焊机参数与制作的凸点参数

丝焊机参数超声波功率P /W 3.35焊接时间t /m s 55焊接压力F /N

0.40剪切力F /N 0.76凸点直径D /μm 100凸点高度h /μm 32尾丝长度L /μm

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图1　热压焊接工艺曲线示意图

2　热压倒装焊接

芯片的倒装热压焊接是采用我所自行研制的倒装焊机完成的。首先把芯片和基板分别放置在上、下夹具上,启动负压吸附定位,翻转上夹具使芯片与

基板焊盘面对面;光学探头伸入到芯片与基板之间,

使芯片和基板上标识点移入到C C D 视野范围内,调节照明亮度和聚焦距离,直到图像清晰;调节工作平台X 、Y 和θ位移,使芯片凸点与基板的焊盘图形完全重合,探头撤出,将芯片放在基板上。芯片与基板的对位精度为±5μm ,这点需严格保证,由于金凸点的热压焊工艺没有像锡铅凸点回流焊接的自对中能力。

芯片与基板对位完成后,启动焊接程序,焊接温度和压力曲线设定如图1所示。为确保芯片周围压力和温度的均匀,上夹具的面积为8m m ×8m m 。上夹具的温度为150℃,这个值在整个焊接过程中都保持不变,以减小焊接过程中上、下夹具之间的温差。

焊接程序开始,起初只用到焊接压力的一半值,下夹具被加热到150℃,在此状况维持5s ,以确保凸点高度和接触面积的均匀性。然后达到全部的焊接压力设定值F b ,同时下夹具被加热到焊接温度t c ,达到设定焊接时间t b 后,停止下夹具的加热,但焊接压力将继续保持,直到下夹具温度达到冷却温度120℃为至。整个焊接过程由设备完全自动完成,从而保证焊接工艺的可重复性。

开始试验时,通过将金凸点芯片放在空白的薄膜基板金层上,以避免凸点与焊盘未对准的影响。试验将证明以下参数对焊接效果的影响:下夹具温度T c ,焊接压力F b 和焊接时间t b 。所使用的参数设置范围为:300℃

20s 。根据试验结果,以剪切力作为判断依据,建立数学模型得出最佳工艺参数(最大剪切力)配置,当T c =340℃,F b =1.70N /b u m p ,t b =15s 时的,剪切力达到0.23N /b u m p 左右。

3　焊后质量检验

对倒装焊后质量的检验项目主要有目检、剪切强度测量、光学检测和电性能测试等。

3.1　倒装芯片目检

在高倍显微镜下,对用热压倒装焊的芯片进行目检,应满足以下要求:(1)芯片完好,不得有裂纹和缺损;(2)倒装焊芯片不应对基板上的其它焊区、

元器件等造成损伤、短路或玷污。3.2　倒装芯片抗剪切强度测量

可依据M I L-S T D -883C 方法2011.4或G J B 548A -96的多种方法对芯片的最小抗剪切力、抗脱拉强度进行测量。但剪切力测(下转第32页)

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2008年1月 张彩云等:采用热压焊工艺实现金凸点芯片的倒装焊接