倒裝芯片技術

1、華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 1電子制造技術基礎電子制造技術基礎吳豐順 博士/教授武漢光電國家實驗室光電材料與微納制造部華中科技大學材料學院華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 2 倒裝芯片倒裝芯片(Flip Chip)技術技術 華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 3第一部分第一部分華中科技大學材料學院連接

2、與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 4倒裝芯片示意圖倒裝芯片示意圖在典型的倒裝芯片封裝中, 芯片通過3到5個密耳(mil)厚的焊料凸點連接到芯片載體上，底部填充材料用來保護焊料凸點.華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 5什么是倒裝芯片？什么是倒裝芯片？倒裝芯片組裝就是通過芯片上的凸點直接將元器件朝下互連到基板、載體或者電路板上。而導線鍵合是將芯片的面朝上。 倒裝芯片元件是主要用于半導體設備；而有些元件，如無源濾波器，探測天線，存

3、儲器裝備也開始使用倒裝芯片技術，由于芯片直接通過凸點直接連接基板和載體上，因此，更確切的說，倒裝芯片也叫DCA （ Direct Chip Attach ）。華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 6三種晶片級互連方法三種晶片級互連方法華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 7倒裝芯片歷史倒裝芯片歷史IBM1960年研制開發(fā)出在芯片上制作凸點的倒裝芯片焊接工藝技術。95Pb5Sn凸點包圍著電鍍NiAu的銅球。后來

4、制作PbSn凸點，使用可控塌焊連接（Controlled collapse Component Connection, C4），無銅球包圍。Philocford等公司制作出AgSn凸點FairchieldAl凸點AmelcoAu凸點目前全世界的倒裝芯片消耗量超過年60萬片，且以約50的速度增長，3的圓片用于倒裝芯片凸點。幾年后可望超過20。華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 8為什么使用倒裝芯片為什么使用倒裝芯片?倒裝芯片技術的興起是由于與其他的技術相比，在尺寸、外觀、柔性、可靠性、以及成本等方面有

5、很大的優(yōu)勢。今天倒裝芯片廣泛用于電子表，手機，便攜機 ，磁盤、耳機，LCD以及大型機等各種電子產品上。華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 9優(yōu)點優(yōu)點01 小尺寸小尺寸: : 小的IC引腳圖形 (只有扁平封裝的5）減小了高度和重量。 功能增強功能增強: : 使用倒裝芯片能增加I/O 的數(shù)量。I/O 不像導線鍵合中出于四周而收到數(shù)量的限制。面陣列使得在更小的空間里進行更多信號、功率以及電源等地互連。一般的倒裝芯片焊盤可達400個。 華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝

6、中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 10優(yōu)點優(yōu)點02 性能增加性能增加: : 短的互連減小了電感、電阻以及電容，保證了信號延遲減少、較好的高頻率、以及從晶片背面較好的熱通道。 提高了可靠性提高了可靠性: : 大芯片的環(huán)氧填充確保了高可靠性。 倒裝芯片可減少三分之二的互連引腳數(shù)。 提高了散熱熱能力：提高了散熱熱能力：倒裝芯片沒有塑封，芯片背面可進行有效的冷卻。 低成本：低成本：批量的凸點降低了成本。華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 11I/O 數(shù)比較數(shù)比較倒裝芯片與扁平封裝的

7、引腳數(shù)比較華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 12信號效果比較信號效果比較華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 13缺點缺點01 裸芯片很難測試 凸點芯片適應性有限 隨著間距地減小和引腳數(shù)的增多導致PCB技術面臨挑戰(zhàn) 必須使用X射線檢測設備檢測不可見的焊點 和SMT工藝相容性較差華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun,

8、 14缺點缺點02 操作夾持裸晶片比較困難 要求很高的組裝精度 目前使用底部填充要求一定的固化時間 有些基板可靠性較低 維修很困難或者不可能華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 15倒裝芯片工藝概述倒裝芯片工藝概述 主要工藝步驟：主要工藝步驟：第一步： 凸點底部金屬化 (UBM)第二步：芯片凸點第三步：將已經凸點的晶片組裝到基板板卡上第四步：使用非導電材料填充芯片底部孔隙華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun,

9、16第一步：凸點下金屬化第一步：凸點下金屬化（UBM，under bump metallization）華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 17第二步第二步: 回流形成凸點回流形成凸點華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 18第三步：倒裝芯片組裝第三步：倒裝芯片組裝 華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 19第四步

10、：底部填充與固化第四步：底部填充與固化 華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 20不同的倒裝芯片焊點不同的倒裝芯片焊點 華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 21底部填充與否底部填充與否有各種不同的倒裝芯片互連工藝，但是其結構基本特點都是芯片面朝下，而連接則使用金屬凸點。而最終差別就是使用底部填充與否。華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. W

11、u Fengshun, 22不同的倒裝芯片連接方法不同的倒裝芯片連接方法 焊料焊接焊料焊接 熱壓焊接熱壓焊接 熱聲焊接熱聲焊接 粘膠連接粘膠連接華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 23Coffin-Manson 低周疲勞模型低周疲勞模型華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 24由此模型可知：由此模型可知： 更高的焊點高度 更小的晶片 器件與基板的熱膨脹系數(shù)（Coefficient of Thermal Ex

12、pansion, CTE）相配 小的工作溫度變化范圍要提高可靠性必須要求：華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 25倒裝芯片工藝：通過焊料焊接倒裝芯片工藝：通過焊料焊接01焊料沉積在基板焊盤上：焊料沉積在基板焊盤上：對于細間距連接，焊料通過電鍍、焊料濺射或者固體焊料等沉積方法。 很粘的焊劑可通過直接涂覆到基板上或者用芯片凸點浸入的方法來保證粘附。 對于加大的間距（0.4 mm ），可用模板印刷焊膏。華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof.

13、 Wu Fengshun, 26回流焊接：回流焊接：芯片凸點放置于沉積了焊膏或者焊劑的焊盤上，整個基板浸入再流焊爐。清洗清洗 ：焊劑殘留。測試：測試：由于固化后不能維修，所以在填充前要進行測試。底部填充：底部填充： 通過擠壓將低粘度的環(huán)氧類物質填充到芯片底部，然后加熱固化。倒裝芯片工藝：通過焊料焊接倒裝芯片工藝：通過焊料焊接 02華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 27步步驟驟示示意意圖圖華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu

14、Fengshun, 28底部填充示意圖底部填充示意圖 華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 29倒裝芯片工藝通過熱壓焊接倒裝芯片工藝通過熱壓焊接在熱壓連接工藝中，芯片的凸點是通過加熱、加壓的方法連接到基板的焊盤上。該工藝要求芯片或者基板上的凸點為金凸點，同時還要有一個可與凸點連接的表面，如金或鋁。對于金凸點，一般連接溫度在300 C 左右，這樣才能是材料充分軟化，同時促進連接過程中的擴散作用。華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu

15、 Fengshun, 30熱壓和熱聲倒裝芯片連接原理示意圖熱壓與熱聲倒裝芯片示意圖熱壓與熱聲倒裝芯片示意圖華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 31基板金屬化基板金屬化基板上的焊盤必須進行適當?shù)亟饘倩?，例如鍍金，以便于實現(xiàn)連接。另外，基板應該非常平整。華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 32凸點凸點熱壓倒裝芯片連接最合適的凸點材料是金，凸點可以通過傳統(tǒng)的電解鍍金方法生成，或者采用釘頭凸點方法，后者就是引線鍵

16、合技術中常用的凸點形成工藝。由于可以采用現(xiàn)成的引線鍵合設備，因此無需配備昂貴的凸點加工設備，金引線中應該加入1% 的Pd ，這樣便于卡斷凸點上部的引線。凸點形成過程中，晶圓或者基板應該預熱到150 200 C。華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 33釘頭金凸點釘頭金凸點SBB（Stud Bond Bump）華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 34釘頭金凸點制作釘頭金凸點制作Gold wireGold ba

17、llCoining (level)Wire breakingBall bondingGold studGold stud bump華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 35Coining (level)Flat tail bumpRaised cross bumpCrossed slots bumpVariationStacked bump釘頭金凸點制作釘頭金凸點制作華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 36

18、若干問題若干問題在某些情況下，如顯示器中的玻璃上芯片(chip-on-glass，COG)，采用焊接連接并不是最合適的選擇，而應該考慮采用其它替代方法。大多數(shù)不采用焊接的倒裝芯片技術中，芯片是采用導電膠或者熱壓、熱聲的方法連接到基板上的。這些方法的優(yōu)點是： 簡單，無需使用焊劑 工藝溫度低 可以實現(xiàn)細間距連接華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 37若干問題若干問題對于直徑為80mm的凸點， 熱壓壓力可以達到1N。由于壓力較大，溫度也較高，這種工藝僅適用于剛性基底，如氧化鋁或硅。另外，基板必須保證較高的

19、平整度，熱壓頭也要有較高的平行對準精度。為了避免半導體材料受到不必要的損害，施加壓力時應該有一定的梯度。華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 38與一般的焊點連接一樣，熱壓倒裝芯片連接的可靠性也要受到基板與芯片的熱膨脹系數(shù)(CTE)失配的影響，此外焊點的高度、焊點之間的最大間距亦會對可靠性造成影響。連接區(qū)的裂紋多是在從連接溫度冷卻下來的過程中產生的?？煽啃钥煽啃匀A中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 39由于金

20、的熔點溫度高，因此它對疲勞損傷的敏感程度遠小于焊料。因此，如果在熱循環(huán)中應力沒有超過凸點與焊盤之間的連接強度，那么可靠性不會存在太大問題。 芯片與基底之間的底部填充材料使連接抵抗熱疲勞的性能顯著提高，如果沒有底部填充，則熱疲勞將是倒裝芯片主要的可靠性問題?？煽啃钥煽啃匀A中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 40倒裝芯片的連接頭應該能夠產生300C 的連接溫度， 要有較高的平行對準精度，為了防止半導體材料發(fā)生損傷，施加壓力時應該保持一定的梯度。在熱壓倒裝芯片連接中，凸點發(fā)生變形是不可避免的，這也是形成良好

21、連接所必需的。另外，連接壓力和溫度應該盡可能低，以免芯片和基板損壞。生產問題生產問題華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 41GaAs器件的熱壓倒裝芯片連接工藝參數(shù)曲線工藝參數(shù)曲線工藝參數(shù)曲線華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 42倒裝芯片工藝倒裝芯片工藝通過熱聲焊接通過熱聲焊接 熱聲倒裝芯片連接是將超聲波應用在熱壓連接中，這樣可以使得焊接過程更加快速。超聲能量是通過一個可伸縮的探頭從芯片的背部施加到連接區(qū)

22、。超聲波的引入使連接材料迅速軟化，易于實現(xiàn)塑性變形。熱聲連接的優(yōu)點是可以降低連接溫度，縮短加工處理的時間。熱聲倒裝芯片連接的缺點是可能在硅片上形成小的凹坑，這主要是由于超聲震動過強造成的。華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 43 可靠性可靠性與一般的焊點連接一樣，熱壓倒裝芯片連接的可靠性也要受到基板與芯片的熱膨脹系數(shù)(CTE)失配的影響，此外焊點的高度、焊點之間的最大間距亦會對可靠性造成影響。連接區(qū)的裂紋多是在從連接溫度冷卻下來的過程中產生的。 由于金的熔點溫度高，因此它對疲勞損傷的敏感程度遠小于焊

23、料。因此，如果在熱循環(huán)中應力沒有超過凸點與焊盤之間的連接強度，那么可靠性不會存在太大問題。 芯片與基底之間的底部填充材料使連接抵抗熱疲勞的性能顯著提高，如果沒有底部填充，則熱疲勞將是倒裝芯片主要的可靠性問題。華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 44 生產問題生產問題 熱聲倒裝芯片連接發(fā)展迅猛，但是它卻是一個高風險的選擇。該工藝需要將壓力、溫度、超聲震動、平整性等綜合起來考慮，因此整個系統(tǒng)的設計非常復雜。華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Pr

24、of. Wu Fengshun, 45熱聲倒裝芯片連接的優(yōu)點熱聲倒裝芯片連接的優(yōu)點 工藝簡單 擴大了連接材料的選擇范圍 降低加工溫度、減小壓力、縮短時間 華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 46倒裝芯片工藝倒裝芯片工藝通過粘膠連接通過粘膠連接導電膠連接是取代鉛錫焊料連接的可行方法，導電膠連接既保持了封裝結構的輕薄，成本也沒有顯著增加。該工藝的優(yōu)點是： 工藝簡單 固化溫度低 連接后無需清洗華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu F

25、engshun, 47各向異性導電膠各向異性導電膠是膏狀或者薄膜狀的熱塑性環(huán)氧樹脂，加入了一定含量的金屬顆粒或金屬涂覆的高分子顆粒。在連接前，導電膠在各個方向上都是絕緣的，但是在連接后它在垂直方向上導電。金屬顆?；蚋叻肿宇w粒外的金屬涂層一般為金或者鎳。各向同性導電膠各向同性導電膠是一種膏狀的高分子樹脂，加入了一定含量的導電顆粒，因此在各個方向上都可以導電。通常高分子樹脂為環(huán)氧樹脂，導電顆粒為銀。各向同性、各向異性導電膠各向同性、各向異性導電膠華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 48 倒裝芯片導電膠連

26、接示意圖倒裝芯片導電膠連接示意圖華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 49倒裝芯片的非導電膠粘接也是可行的，但是到目前為止，這種膠水中的顆粒種類非常有限。從理論上說，非導電膠粘接的可靠性非常高，因為它使連接表面積減小到最低限度，但實際上它的可靠性并不高，而且對某些工藝條件的要求比導電膠連接更加苛刻。比較比較華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 50采用導電膠連接的倒裝技術要求在焊盤上形成導電凸點，最適宜的凸點

27、材料為金。各向同性導電膠本身也可以作為凸點材料，此時應避免使鋁表面的金屬化層接觸到粘性凸點，因為鋁很容易氧化，最終將形成不導電的連接。凸點凸點華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 51各向同性導電膠形成的凸點的SEM照片凸點形貌凸點形貌華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 52 與鉛錫焊料相比，導電膠(無論是各向同性還是各向異性)都是熱的不良導體，但是采用導電膠并不會使元件的熱阻增加多少，因為元件內產生的熱量

28、僅有少量通過倒裝芯片的連接接點傳遞，主要是受芯片尺寸和基板材料的影響。加熱加熱華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 53 總體上說，導電膠的導電性能也比鉛錫焊料差，各向同性導電膠倒裝芯片連接點的電阻為幾毫歐，而電感、電容的數(shù)值則沒有文獻報道過。信號傳輸信號傳輸華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 54釘頭凸點導電膠連接技術釘頭凸點導電膠連接技術華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電

29、子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 55倒裝芯片失效原因倒裝芯片失效原因魚骨圖魚骨圖華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 56第二部分第二部分凸點及其制作凸點及其制作華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 57凸點的制作凸點的制作華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 58對對UBM的要求的

30、要求01 必須與焊區(qū)金屬以及圓片鈍化層有牢固的結合力：必須與焊區(qū)金屬以及圓片鈍化層有牢固的結合力： Al是最常見的IC金屬化金屬，典型的鈍化材料為氮化物、氧化物以及聚酰亞胺 。確保鈍化層沒有針孔是很重要的， 否則就會在UBM的過程中產生破壞IC的隱患. 和焊區(qū)金屬要有很好的歐姆接觸：和焊區(qū)金屬要有很好的歐姆接觸：所以在沉積UBM之前要通過濺射或者化學刻蝕的方法去除焊區(qū)表面的Al氧化物。華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 59對對 UBM的要求的要求02 要有焊料擴散阻擋層：要有焊料擴散阻擋層：必須在

31、焊料與焊盤焊區(qū)金屬之間提供一個擴散阻擋層 要有一個可以潤濕焊料的表面：要有一個可以潤濕焊料的表面：最后一層要直接與凸點接觸，必須潤濕凸點焊料。華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 60 氧化阻擋層氧化阻擋層：為保證很好的可焊性，要防止UBM在凸點的形成過程中氧化。 對硅片產生較小的應力：對硅片產生較小的應力： UBM結構不能在底部與硅片產生很大的應力，否則會導致底部的開裂以及.硅片的凹陷等可靠性失效。對對 UBM的要求的要求03華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中

32、心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 61UBM 結構示意圖結構示意圖華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 62UBM 結構結構01UBM 一般由三層薄膜組成 :1 1、粘附以及擴散阻擋層：、粘附以及擴散阻擋層：使用的典型金屬有：Cr 、Ti、 Ti/W 、Ni、Al、Cu、 Pd 和Mo。典型厚度：0.15-0.2 mm.華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 63UBM結構結構022 2

33、 焊料潤濕層：焊料潤濕層：典型金屬: Cu、Ni、 Pd。典型厚度:1-5 mm。3 3 氧化阻擋層：氧化阻擋層：典型金屬：Au。典型厚度：0.05-0.1 mm。華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 64UBM的層次組合的層次組合01 這些薄膜層的組合出現(xiàn)了很多的UBM結構，例如：Ti/Cu/Au、Ti/Cu、Ti/Cu/Ni、TiW/Cu/Au、Cr/Cu/Au、Ni/Au、 Ti/Ni/Pd、 以及 Mo/Pd. 其結構對本身的可靠性影響很大，據(jù)報道Ti/Cu/Ni (化學鍍 Ni) 的UBM

34、比 Ti/Cu 的粘附結合力要強。 UBM的結構也影響它與焊區(qū)金屬、它與凸點之間的可靠性。華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 65UBM 的層次組合的層次組合02 為了保證可靠的互連，UBM必須與用于凸點的焊料合金相容。適合高鉛的UBM不一定適合高錫焊料。例如Cu潤濕層合適于含錫35的高鉛焊料，但是不適合于高錫焊料，因為 Cu與Sn反應迅速而生成Sn-Cu金屬間化合物。如果Cu被消耗完畢，焊料將與焊區(qū)不潤濕。華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-2

35、9Prof. Wu Fengshun, 66層次組合特點層次組合特點 華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 67UBM的沉積方法的沉積方法 濺射：濺射：用濺射的方法一層一層地在硅片上沉積薄膜，然后通過照相平版技術形成UBM圖樣，然后刻蝕掉不是圖樣的部分。 蒸鍍：蒸鍍： 利用掩模，通過蒸鍍的方法在硅片上一層一層地沉積。. 這種選擇性的沉積用的掩?？捎糜趯耐裹c的形成之中。 化學鍍化學鍍: :采用化學鍍的方法在Al焊盤上選擇性地鍍Ni。常常用鋅酸鹽工藝對Al表面進行處理。無需真空及圖樣刻蝕設備，低成本。

36、華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 68常見的常見的UBM方法方法華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 69化學鍍鎳化學鍍鎳 化學鍍鎳用作UBM的沉積，金屬鎳起到連接/擴散阻擋的作用，同時也是焊料可以潤濕的表面。鎳的擴散率非常小，與焊料也幾乎不發(fā)生反應，它僅與錫有緩慢的反應，因此非常適合作為共晶焊料的UBM金屬。化學鍍鎳既可以用于UBM金屬的沉積，也可以用來形成凸點。華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華

37、中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 70化學鍍鎳特點化學鍍鎳特點01無定形化學鍍鎳層中沒有晶界，無法形成擴散的通道，所以是一層良好的擴散阻擋層。鎳UBM的厚度一般為1-15 mm ， 而5 mm厚的鎳UBM就能使焊料凸點的可靠性明顯提高。華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 71化學鍍鎳特點化學鍍鎳特點02鍍鎳之后，還要在鎳上鍍一層厚度為0.05-0.1 mm 的金，它主要是防止鎳發(fā)生氧化，以保持它的可焊性。采用化學鍍鎳的方法形成凸點時，通常鎳凸

38、點要與導電膠（各向同性或者各向異性均可）一起使用。華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 72鋁焊盤上化學鍍鎳前處理鋁焊盤上化學鍍鎳前處理由于鋁焊盤表面有一層氧化物，鍍層金屬無法粘附在這樣的表面上，因此要對鋁表面進行適當?shù)奶幚硪郧宄趸飳印Ｗ钜话愕姆椒ㄊ窃阡X焊盤上鋅酸鹽處理(zincationzincation) ，還有：鍍鈀活化 (palladium activationpalladium activation) 、鎳置換(nickel nickel displacementdisplacement

39、) 、直接鍍鎳等。華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 73鋅酸鹽處理鋅酸鹽處理(Zincation) 該技術是在鋁的表面沉積一層鋅，以防止鋁發(fā)生氧化，該技術的反應原理如下：華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 74鋅酸鹽處理步驟鋅酸鹽處理步驟 清洗：清理鋁表面的輕度污染，通常采用堿性清洗劑。 腐蝕：清除鋁表面的微小氧化物顆粒，一般采用稀釋的酸性腐蝕液，如硫酸、硝酸、硝酸氫氟酸混合液等。 鍍鋅：將鋁浸入鋅槽中

40、，該槽內盛有強堿性溶液，成份包括：Zn(OH)2, NaOH, Fe, Cu, Ni等，最終鋅便在鋁表面形成。華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 75為了使隨后的鍍鎳層光潔而均勻，鋅層應該薄而均勻。第一輪鍍錫往往形成一層粗糙的鋅層，其顆粒尺寸從3-4 mm到小于1 mm不等，這樣的表面使隨后的鍍鎳層也非常粗糙。第一輪鍍鋅第一輪鍍鋅華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 76第一輪粗糙的表面第一輪粗糙的表面華中

41、科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 77導致不均勻、粗糙的鍍鎳結果導致不均勻、粗糙的鍍鎳結果華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 78第二輪鍍鋅第二輪鍍鋅上述問題可以通過二次鍍鋅來解決，在該過程中，前次形成的鋅層被稀釋的硝酸腐蝕掉，然后再進行第二輪鍍鋅，這樣的處理就能使鍍鋅層薄而均勻。下面是再次鍍鋅的Al焊盤：華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof

42、. Wu Fengshun, 79鍍鋅工藝的一個缺點就是鋁也會被鍍液腐蝕掉，二次鍍鋅工藝中尤其嚴重， 0.3-0.4 mm 厚的鋁將被腐蝕掉。因此，在該工藝中，鋁的厚度至少應該大于1 mm 。在鍍鋅過程中，鋅沉積在鋁表面，而同時鋁及氧化鋁層則被腐蝕掉。鋅保護鋁不再發(fā)生氧化，鋅層的厚度很薄，而且取決于鍍液的成份、浴槽的狀況、溫度、時間、鋁的合金狀態(tài)等因素。鋅酸鹽處理步驟鋅酸鹽處理步驟華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 80 鍍鎳：鍍鋅之后，鋁被浸入鍍液中進行化學鍍鎳，這種鍍液為硫酸鎳的酸性溶液，成份還

43、包括次磷酸鈉或者氫化硼作為還原劑，反應原理見下式：鍍鎳鍍鎳鍍鎳之前，晶圓的背面必須覆上阻擋層。鎳能夠在硅的表面生長，則那些未經鈍化的硅表面也會有鎳形成，但是這種連接非常不牢固，很容易脫落，從而在細間距電路中引起短路。華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 81其它鋁焊盤處理技術其它鋁焊盤處理技術01鈀活化工藝：鈀活化工藝：該工藝是在鋁上鍍一層鈀。首先，鋁經過清洗和腐蝕去除表面氧化物，該過程與鍍錫工藝中的一樣。然后，鋁被浸入鈀溶液中，鈀有選擇地沉積在鋁表面。之后，鋁再被浸入化學鍍鎳的溶液中進行化學鍍。華中

44、科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 82其它鋁焊盤處理技術其它鋁焊盤處理技術02鎳置換工藝：鎳置換工藝： 鎳置換工藝是指用置換鍍槽中的鎳離子置換鋁，從而實現(xiàn)對鋁表面的預處理。該工藝首先也是要對鋁表面進行清洗和腐蝕，然后將鋁浸入置換鍍槽中，之后再浸入化學鍍槽中鍍鎳。華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 83其它鋁焊盤處理技術其它鋁焊盤處理技術03直接鍍鎳工藝：直接鍍鎳工藝： 在該工藝中，采用活性劑來清除經過清洗和

45、腐蝕的鋁的表面氧化物，之后立即將鋁直接浸入鍍槽中鍍鎳。華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 84凸點技術凸點技術01 凸點常用的材料是Pb/Sn合金，因為其回流焊特性如自中心作用以及焊料下落等。 自中心作用減小了對芯片貼放的精度要求。 下落特點減小了共面性差的問題。 95Pb/5Sn或者 97Pb/3Sn的回流焊溫度較高：330-350C。 華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 85凸點技術凸點技術02 根據(jù)

46、芯片的其它部分、有機基板等的工作溫度要求，開發(fā)出了高錫焊料，如 37Pb/63Sn的回流溫度為200C 左右. 華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 86焊料凸點方法焊料凸點方法將簡介討論7中常見的凸點形成辦法: 蒸鍍焊料凸點蒸鍍焊料凸點, , 電鍍焊料凸點電鍍焊料凸點, , 印刷焊料凸點印刷焊料凸點, , 釘頭焊料凸點釘頭焊料凸點 放球凸點放球凸點 焊料轉移凸焊料轉移凸華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun,

47、871、蒸鍍凸點、蒸鍍凸點華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 88蒸鍍凸點步驟示意圖蒸鍍凸點步驟示意圖華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 89步驟步驟011 1、現(xiàn)場對硅片濺射清洗（、現(xiàn)場對硅片濺射清洗（a a）：）：在沉積金屬前去除氧化物或者照相掩模。同時使得硅片鈍化層以及焊盤表面粗糙以提高對UBM的結合力。2 2、金屬掩模：、金屬掩模：常常用帶圖樣的鉬金屬掩模來覆蓋硅片以利于UBM以及凸點金屬的沉積。

48、 金屬掩模組件一般由背板、彈簧、金屬模板以及夾子等構成。 硅片被夾在背板與金屬模板 之間，然后通過手動對位. 對位公差可控制在25 mm。華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 90步驟步驟023 3、UBMUBM蒸鍍（蒸鍍（b b）：然后按順序蒸鍍Cr層、CrCu層、Cu層以及Au層。4 4 焊料蒸鍍（焊料蒸鍍（c c）：）： 在UBM表面蒸鍍一層 97Pb/Sn 或者95Pb/Sn. 厚度約為 100-125 mm 。形成一個圓錐臺形狀華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與

49、電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 91步驟步驟03注意圖（e）中頂部的額外的錫層， 這是 Motorola采用的“蒸鍍、額外共晶”，縮寫為 “E3”。 這層薄薄的蓋子允許器件連接到有機板上而不用在施加共晶焊料。這是因為高鉛焊料在 300C回流，而不適合于有機基板。于是焊接時可只回流上面的錫鉛共晶，而不將凸點熔化。5 5、凸點成球（、凸點成球（d d）：）： 在C4工藝中，凸點回流成球狀。華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 922、電鍍凸點、電鍍凸點 電鍍是一個比較流

50、行的工藝，其設備成本低、設施占地少，有很多的電鍍工藝可以采用。傳統(tǒng)的電鍍沿用蒸鍍使用的 Cr/Cr-Cu/Cu結構的UBM和使用高鉛合金。 如果采用高錫合金，Sn會很快消耗Cu而破壞結構的完整性。于是為了沉積共晶焊料，往往在UBM的結構中， Ti/W作為結合層，其上有一層Cu的潤濕層。而且潤濕銅層要厚。 這種較厚的銅層稱為“微球”或者“圖釘帽”。使用這種結構公司有：德州儀器、摩托羅拉、國家半導體、沖電氣（OKI）等公司。華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 93電鍍凸點橫截面示意電鍍凸點橫截面示意圖圖

51、華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 94電電鍍鍍凸凸點點步步驟驟示示意意圖圖華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 95步驟步驟011 1、硅片清洗：、硅片清洗：方法和目的與蒸鍍中清洗相同。2 2、UBMUBM沉積：沉積：典型的UBM材料層為： TiWCuAu ，濺射到整個硅片上。理論上講， UBM 層提供了一個平均得電流分布以利于一致的電鍍。圖(a)是硅片覆蓋了TiW的情形，為了形成微球或者圖釘帽結構，施加

52、掩模（b），沉積一定高度的Cu和Au（c）， 一般凸點總體高度為85 mm to 100 mm時候，微球高度為10 mm到25 mm 。華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 96步驟步驟023 3、焊料的電鍍：、焊料的電鍍： 再次施加掩模，以電鍍凸點（d） 。 當凸點形成之后，掩模被剝離（e）。 暴露在外的UBM在一到兩天內刻蝕掉。4 4、回流成球：、回流成球：回流后利于凸點在UBM去除時候不被破壞見圖（f） 。華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-

53、29Prof. Wu Fengshun, 97Electroplating Solder Bumping Process電鍍焊球凸點工藝電鍍焊球凸點工藝Process Flow of Electroplating Solder Bump電鍍焊球凸點工藝流程 ChipPR openingChipElectroplated solder bumpMushrooming2. Sputter Under Bump Metal金屬層濺射金屬層濺射3. Coat with PR覆蓋光膠覆蓋光膠4. Pattern for bump凸點光刻凸點光刻5. Electroplating Cu and Sn/Pb

54、焊料電鍍焊料電鍍6. Remove Resist去除光膠去除光膠1. Wafer with Al pad鈍化和金屬化晶片鈍化和金屬化晶片ChipPassivationAl contact padChipUBMChipThick photoresist filmChip7. Strip Under Bump Metal去除去除UBMChip8. Reflow回流回流 Chipsolder ball after reflow華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 98Electroplating Solde

55、r Bumping ProcessElectroplating Solder Bumping Process電鍍凸點制備工藝電鍍凸點制備工藝Peripheral array solder bumps 周邊分布凸點周邊分布凸點Area array solder bumps 面分布凸點面分布凸點 The peak temperature of reflow process回回流焊峰值溫度：流焊峰值溫度： 220 C. The effective bump pitch for peripheral array周邊分布有效凸點間周邊分布有效凸點間距：距： 125 m mm.華中科技大學材料學院連接與電

56、子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 99Process Specification工藝參數(shù)工藝參數(shù) Photoresist Thickness 光刻膠厚度光刻膠厚度: 40100 m mm Bump Material凸點材料凸點材料: 63Sn/37Pb Bump height 凸點高度凸點高度: 75140 m mm UBM layer凸點下金屬層凸點下金屬層: Ti/W-Cu, Cr-Cu Min. effective pitch of bump 最小有效凸點間距最小有效凸點間距 : 125 m mm I/O array輸

57、入輸入/輸出分布輸出分布: peripheral array周邊分布周邊分布 and area array面分布面分布華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 100Flip Chip on Low-Cost Substrate SamplesSamples with Different Dimensions PCB上不同尺寸倒裝焊樣品上不同尺寸倒裝焊樣品Flip Chip on Flexible substrate在軟質在軟質底板上倒裝焊底板上倒裝焊Direct chip attach on low-c

58、ost PCB, flexible substrate 已完成在低成本已完成在低成本PCB和軟質底板上倒裝焊工藝的研究和軟質底板上倒裝焊工藝的研究MCM-L technology 多芯片組裝技術多芯片組裝技術.華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 1013、焊膏印刷凸點、焊膏印刷凸點Delco 電子（DE） 、倒裝芯片技術公司（FCT）、朗訊等公司廣泛常用焊膏印刷成凸點的方法。 目前各種焊膏印刷技術可達到250 mm的細間距。 下面簡介DE/FCT的基本工藝。Stencil Printing Bump

59、ing Flip Chip Technology絲網印刷凸點倒裝焊技術絲網印刷凸點倒裝焊技術華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 102焊膏印刷凸點橫截面示意圖焊膏印刷凸點橫截面示意圖華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 103焊膏焊膏印刷印刷凸點凸點的步的步驟示驟示意圖意圖華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 10

60、4步驟步驟1 1、清洗：、清洗：方法與目的與蒸鍍相同。2 2、UBMUBM沉積圖（沉積圖（a a） ：濺射Al、Ni、Cu三層。 3 3、圖形刻蝕成型：、圖形刻蝕成型：在UBM上施用一定圖樣的掩模，刻蝕掉掩模以外的UBM（b），然后去除掩模，露出未UBM（c）。4 4、焊膏印刷以及回流：、焊膏印刷以及回流：見圖（d）（e）華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心2022-1-29Prof. Wu Fengshun, 105Electroless UBM and Stencil Printing化學鍍UBM和絲網印刷工藝 The most potential