凸点倒装焊接技术及可靠性测试

凸点芯片倒装焊接技术及可靠性测试

目录

一、倒装焊工艺的选择

随着轻量化、薄型化、小型化、I/O 端数的增加以及功能多样化的发展，传统的封装技术已不能满足高密度的要求。倒装互连技术的发展为高密度封装带来了希望。倒装技术与传统引线键合互连技术相比具有明显的优势，主要表现在以下几个方面：

（1）尺寸小、薄，重量更轻；

（2）密度更高，使用倒装焊技术能增加单位面积内的I/O 数量；

（3）性能提高，短的互连减小了电感、电阻以及电容，信号完整性、频率特性更好；

（4）散热能力提高，倒装芯片没有塑封体，芯片背面可用散热片等进行有效的冷却，使电路的可靠性得到提高；

倒装焊技术中关键工艺有四个，它们分别是UBM 制备、凸点制备、倒装焊和底部填充技术，它们直接决定着倒装产品质量的好坏。

UBM的制备

多层金属膜UBM（Under Bump Metallurgy）是在芯片上的Al 焊盘与凸焊点之间的一层金属化层，目的是使芯片与基板互连工艺更容易实现、互连可靠性更高。UBM必须与Al 焊盘及凸焊点间形成良好的欧姆接触、必须能够保证凸点或焊接材料不直接与Al 焊盘接触，以使连接材料有良好的黏附性能和机械性能，并确保优良的电性能和导热性能。UBM通常由黏附层、扩散阻挡层和浸润层等多层金属膜组成。UBM 在进行焊料回流或焊点退火等高温处理时，能够保证凸焊点材料不会穿透UBM而进入下面的Al 焊盘中。

铝焊盘上蒸发/溅射多层金属，粘附层Cr 、扩散层Cu、阻挡层Au

凸点的制备

倒装焊（Flip Chip）中的首个凸点制备技术是IBM公司的C4 工艺（Controlled Collaps Chips Connection）。凸点由蒸发的薄膜金属制成。随工艺技术和设备的发展，满足不同产品的需求，凸点制备工艺方法越来越多，当前比较常见的方法有1. 钉头法、2.蒸发/溅射法、3. 化学镀法、4.模板印刷法、5.电镀法、6.置球凸点法（SB2 - Jet）等。

1、钉头凸点法：在这几种方法中，钉头凸点方法是在焊盘上溅射/蒸镀上UBM后，使用金/铜丝球焊机在UBM上点上凸点，凸点会带有尾丝，所以在点完凸点后还需要去除尾丝。该方法只适合引线数少、芯片焊盘间距相对较大、品种多且数量相对不多的芯片封装上，其具有工艺简便易行、方便灵活、可在单芯片上制作凸点、不合格芯片不需要制作凸点（其他方法制备凸点时，不合格芯片也是要制备凸点的），成本低廉，但是凸点高度一致性相对较差。

2、蒸发/ 溅射：该方法制备凸点由于其投资高、凸点制备速率慢等，只限于要求凸点材料纯度高、制备的凸点致密度高的，或者制备的凸点材料不能使用电镀、印刷工艺等时。

3、化学镀法：化学镀法可以包含焊盘的UBM处理，是采用化学的方法对芯片铝压焊点进行底层处理，然后再化学镀凸点。特点是投资少，工艺步骤少，不需要溅射/ 蒸发、光刻、电镀等，成本低，但是化学镀的镀液成分复杂，较难掌握，凸点高度受限，镀层均匀性较差，适用于单芯片、凸点高度要求低的。

4、模板印刷法：现在采用的大部分模板印刷法如图所示，通过涂刷器和模板，将钎料膏涂刷在

焊盘上。目前应用比较多的情况是焊盘间距在200—400um间，对于小间距焊盘，由于模板印刷不能均匀分配钎料体积，应用受到一定限制，而本课题中凸点间距1000um是大大超过该方法的最低限制的，是可以使用该方法的。同时，300um的球径也满足“模板涂刷最大颗粒直径应小于模板孔径最小值的1/3”这一普遍要求。而且模板印制法工艺简单成本低，适合制作各种尺寸Pb-Sn 和无铅钎料凸点，可批量生产。使用该方法的关键在于要制作模板及钎料球的均匀性，以及钎料涂膏印制厚度的一致性。

5、电镀法：该方法为国际上流行且工艺成熟的凸点制作法。电镀凸点工艺所需的UBM 同样是采用蒸发/ 溅射，但相对UBM要厚许多倍的凸点制备则采用设备投入少、运行成本低的电镀工艺方法取代。电镀工艺重复性、一致性好，可用于批量生产加工各种类型规格芯片及不同材料、不同高度的凸点。凸点材料主要有焊料凸点、金凸点和铜凸点三种。

6、置球凸点法：又称为SB2-Jet（solder ball bumping jet），如图10所示，该系统为PacTech 公司研制的直接植球设备。在放置焊料球用激脉冲光同时对焊球进行回流焊，一次性完成。该过程首先将加工好的焊料球放在储存槽中，钎料球经毛细管释放喷出（该过程时间很短，不会影响球的形状）。在喷出时，激光系统对球加热使之熔化，使钎料球润湿芯片焊盘并形成良好的接合。此过程用惰性气体保护，不需焊剂。该方法简单快捷、生产效率高、可灵活应用，但投资成本也较高。

7、转移法中又有焊膏/ 焊料转移和焊球直接转移。焊膏印刷再转移法和焊料注入转移传送法已成熟，焊料印刷转移法是首先在载体上通过印刷的方法制作出焊料球，然后再转送到焊盘上去，参见图12，其中载体必须是与焊料不润湿的材料，并且要求图样与芯片焊盘高度一致。焊球注入转移传送法，首先在载体上注入焊料，形成焊球，然后回流，然后再进行转移。如果其中载体上有焊料坑，可以通过压力把焊料注入到坑中。该方法设备投入少，生产效率高。

针对本课题的锡银铜无铅焊球，选用模板印刷比较合适，焊球球径可以通过模板的孔径和高度调

控施加焊料的多少，在后续回流的过程中熔成相应球径。（助焊剂？）

焊接方法

熔焊（哪种回流焊设备，整体加热Or局部？）、热压、热压超声

适用于本课题的倒装焊接技术主要有熔焊、热压焊、热声焊

4.1 熔焊

焊料可以是基板焊盘上的、芯片凸点端上的或者是焊球来充当。基板上的焊料可以刷焊膏再回流形成，也可以是电镀、溅射/ 蒸发获得；铜凸点、高温焊料凸点上的焊料通常是电镀上去的。倒装凸点密度比较大的，则主要采用电镀、溅射/ 蒸发工艺方法制备；而密度小（如间距≥0.4mm）、数量少的，则用焊膏印刷然后再回流制备，或直接使用焊料球或焊盘浸焊剂然后回流制备，这样制造的性价比最优，必要时需要清洗掉残留的焊剂，方可确保底部填充质量。真空再流焊。

助焊剂？

4.2 热压焊接

与熔焊工艺不同，热压焊接工序中，不仅要对芯片凸点加热，还要施加一定的压力。该工艺要求芯片或者基板上的凸点为金凸点（可电镀、溅射/ 蒸发方法制备，或者采用钉头凸点方法制备），同时还要有一个可与凸点连接的表面（如电镀或溅射/ 蒸发的金层）。热压焊接的温度一般在300℃左右，这样才能使材料充分软化，促进连接过程中的扩散作用，使连接可靠。该方法的优点是工艺简单，工艺温度低，无需使用焊剂，可以实现细间距连接；缺点是热压压力较大，仅适用于刚性基底（如氧化铝或硅），基板必须保证高的平整度，热压头也要有高的平行对准精度。为避免半导体材料受到不必要的损害，设备施加压力要有精确的梯度控制能力。

4.3 超声热压焊

超声热压焊连接是将超声波应用在热压连接中，使焊接过程更加快速。超声波的引入使连接材料迅速软化，易于实现塑性变形。热超声的优点是可以降低连接温度，缩短加工处理的时间。缺点是可能在硅片上形成小的凹坑，主要是由于超声震动过强造成的。该方法主要适用于金凸点、镀金焊盘的组合。

热超声倒装连接的可靠性要受基板与芯片的热膨胀系数（TEC）失配的影响，同时焊点高度、最大焊点距离亦对可靠性有影响。连接区的裂纹多是在从焊接连接时从高温冷却下来的过程中产生的。由于金的熔点温度高，因此它对疲劳损伤的敏感程度远小于一般的焊料凸点的。如果在热循环中应力没有超过凸点与焊盘之间的连接强度，那么可靠性不会存在太大问题。

下底料填充（填充什么、怎么填充）底部流动、底部不流动

由于硅芯片、焊料凸点和基板等材料的热膨胀系数不匹配，如表3 所示，使用过程中很容易因热失配而造成连接失效。下填充技术能够减少硅芯片和基板间热膨胀失配造成的影响，并能有效地缓冲机械冲击的损伤程度。其中焊料凸点与焊盘的连接界面处承受着更容易失效的风险，通过下填充可以将芯片、凸点和基板紧紧地黏附在一起，达到重新分配整个芯片上的热膨胀系数失配和机械冲击产生的应力和应变力。下填充提供了一个好的机械连接，大大提高了封装的可靠性，并且还能防止湿气和其他形式的沾污。使用下填充能够大大提高倒装连接的寿命，与相同封装无填充的倒装比较其使用寿命可以提高5~20 倍。

下填充工艺有两种，底部流动填充和底部不流动填充。底部流动填充工艺，是在毛细表面张力作用下，胶填充芯片和基板底部空隙之间，胶的流动能够使芯片和基板之间的气体尽量驱除出去，减少气泡的残留。芯片与基板之间空隙足够大时，可选用底部流动填充工艺，如果芯片面积特别大或芯片与基板的空隙小可以选择底部不流动填充工艺，应根据不同的需要选择相应的填充工艺。

二、锡银铜钎料倒装再流焊温度曲线设定