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第四讲：倒装芯片技术（FlipChipTechnology）优点：1.互连线很短，互连产生的电容、电阻电感比引线键合和载带自动焊小得多。从而更适合于高频高速的电子产品。2.所占基板面积小，安装密度高。可面阵布局，更适合于多I/O数的芯片使用。3.提高了散热热能力，倒装芯片没有塑封，芯片背面可进行有效的冷却。4.简化安装互连工艺，快速、省时，适合于工业化生产。缺点：1.芯片上要制作凸点，增加了工艺难度和成本。2.焊点检查困难。3.使用底部填充要求一定的固化时间。4.倒装焊同各材料间的匹配所产生的应力问题需要解决。信号效果比较历史1.IBM1960年研制开发出在芯片上制作凸点的倒装芯片焊接工艺技术。95Pb5Sn凸点包围着电镀NiAu的铜球。后来制作PbSn凸点，使用可控塌焊连接（C4），无铜球包围。2.Philoc－ford等公司制作出Ag－Sn凸点3.Fairchield——Al凸点4.Amelco——Au凸点5.目前全世界的倒装芯片消耗量超过年60万片，且以约50％的速度增长，3％的圆片用于倒装芯片凸点。几年后可望超过20％。C4：ControlledCollapseChipConnection可控塌陷芯片连接优点：1.工艺简单，倒装焊时易于熔化回流2.熔化的焊料可以弥补凸点的高度不一致或基板不平而引起的高度差3.对凸点金属所加的焊接压力小，从而不易损坏芯片和焊点4.熔化时有较大的表面张力，具有“自对准”效果。倒装芯片工艺概述主要工艺步骤：第一步:凸点底部金属化第二步：芯片凸点制作第三步：将已经凸点的晶片组装到基板上第四步：使用非导电填料填充芯片底部孔隙第一步：凸点底部金属化（UBM）第二步:回流形成凸点第三步：倒装芯片组装第四步：底部填充与固化几种倒装芯片焊接方式凸点的制作UBM凸点形成SiChipPb/SnbumpAlpadPassivationLayerAdhesion/BarrierLayerSolderWettingLayer对UBM的要求必须与焊区金属以及圆片钝化层有牢固的结合力：Al是最常见的IC金属化金属，典型的钝化材料为氮化物、氧化物以及聚酰亚胺。和焊区金属要有很好的欧姆接触：在沉积UBM之前要通过溅射或者化学刻蚀的方法去除焊区表面的Al氧化物。要有焊料扩散阻挡层：必须在焊料与焊盘焊区金属之间提供一个扩散阻挡层要有一个可以润湿焊料的表面：最后一层要直接与凸点接触，必须润湿凸点焊料。氧化阻挡层：为保证很好的可焊性，要防止UBM在凸点的形成过程中氧化。对硅片产生较小的应力：UBM结构不能在底部与硅片产生很大的应力，否则会导致底部的开裂以及硅片的凹陷等可靠性失效。UBM结构示意图UBM结构UBM一般由三层薄膜组成:1、粘附以及扩散阻挡层：使用的典型金属有：Cr、Ti、Ti/W、Ni、Al、Cu、Pd和Mo。典型厚度：0.05-0.2mm.2焊料润湿层：典型金属:Cu、Ni、Pd。典型厚度:0.05-0.1mm。3氧化阻挡层：典型金属：Au。典型厚度：0.05-0.1mm。UBM的层次组合•这些薄膜层的组合出现了很多的UBM结构，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.•其结构对本身的可靠性影响很大，据报道Ti/Cu/Ni(化学镀Ni)的UBM比Ti/Cu的粘附结合力要强。•UBM的结构也影响它与焊区金属、它与凸点之间的可靠性。层次组合特点UBM的沉积方法•溅射：用溅射的方法一层一层地在硅片上沉积薄膜，然后通过光刻技术形成UBM图样，并刻蚀掉不是图样的部分。•蒸镀：利用掩模，通过蒸镀的方法在硅片上一层一层地沉积。•化学镀:采用化学镀的方法在Al焊盘上选择性地镀Ni。常常用锌酸盐工艺对Al表面进行处理。无需真空及图样刻蚀设备，低成本。化学镀镍化学镀镍用作UBM的沉积，金属镍起到连接/扩散阻挡的作用，同时也是焊料可以润湿的表面。镍的扩散率非常小，与焊料也几乎不发生反应，因此非常适合作为共晶焊料的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。化学镀镍特点•无定形化学镀镍层中没有晶界，无法形成扩散的通道，所以是一层良好的扩散阻挡层。•镍UBM的厚度一般为1～15μm，而5μm厚的镍UBM就能使焊料凸点的可靠性明显提高。•镀镍之后，还要在镍上镀一层厚度为0.05-0.1μm的金，它主要是防止镍发生氧化，以保持它的可焊性。铝焊盘上化学镀镍前处理由于铝焊盘表面有一层氧化物，镀层金属无法粘附在这样的表面上，因此要对铝表面进行适当的处理以清除氧化物层。最一般的方法是在铝焊盘上锌酸盐处理(zincation)，还有：镀钯活化(palladiumactivation)、镍置换(nickeldisplacement)、直接镀镍等。锌酸盐处理(Zincation)该技术是在铝的表面沉积一层锌，以防止铝发生氧化，该技术的反应原理如下：当Al焊区金属浸入锌酸盐溶液中时，Al上的氧化层就溶解下来，它与NaOH发生如下化学反应：OHNaAlONaOHOAl223222锌酸盐处理步骤•清洗：清理铝表面的轻度污染，通常采用碱性清洗剂。•腐蚀：清除铝表面的微小氧化物颗粒，一般采用稀释的酸性腐蚀液，如硫酸、硝酸、硝酸－氢氟酸混合液等。•镀锌：将铝浸入锌槽中，该槽内盛有强碱性溶液，最终锌便在铝表面形成。为了使随后的镀镍层光洁而均匀，锌层应该薄而均匀。第一轮镀往往形成一层粗糙的锌层，其颗粒尺寸从3~4mm到小于1mm不等，这样的表面使随后的镀镍层也非常粗糙。第一轮镀锌第一轮粗糙的表面导致不均匀、粗糙的镀镍结果第二轮镀锌上述问题可以通过二次镀锌来解决，在该过程中，前次形成的锌层被稀释的硝酸腐蚀掉，然后再进行第二轮镀锌，这样的处理就能使镀锌层薄而均匀。下面是再次镀锌的Al焊盘：镀锌工艺的一个缺点就是铝也会被镀液腐蚀掉，二次镀锌工艺中尤其严重，0.3-0.4mm厚的铝将被腐蚀掉。因此，在该工艺中，铝的厚度至少应该大于1mm。在镀锌过程中，锌沉积在铝表面，而同时铝及氧化铝层则被腐蚀掉。锌保护铝不再发生氧化，锌层的厚度很薄，而且取决于镀液的成份、浴槽的状况、温度、时间、铝的合金状态等因素。锌酸盐处理步骤镀镍：镀锌之后，铝被浸入镀液中进行化学镀镍，这种镀液为硫酸镍的酸性溶液，成份还包括次磷酸钠或者氢化硼作为还原剂，反应原理见下式：镀镍镀镍之前，晶圆的背面必须覆上阻挡层。镍能够在硅的表面生长，则那些未经钝化的硅表面也会有镍形成，但是这种连接非常不牢固，很容易脱落，从而在细间距电路中引起短路。其它铝焊盘处理技术钯活化工艺：该工艺是在铝上镀一层钯。首先，铝经过清洗和腐蚀去除表面氧化物，该过程与镀锌工艺中的一样。然后，铝被浸入钯溶液中，钯有选择地沉积在铝表面。之后，铝再被浸入化学镀镍的溶液中进行化学镀。镍置换工艺：镍置换工艺是指用置换镀槽中的镍离子置换铝，从而实现对铝表面的预处理。该工艺首先也是要对铝表面进行清洗和腐蚀，然后将铝浸入置换镀槽中，之后再浸入化学镀槽中镀镍。直接镀镍工艺：在该工艺中，采用活性剂来清除经过清洗和腐蚀的铝的表面氧化物，之后立即将铝直接浸入镀槽中镀镍。凸点技术•凸点常用的材料是Pb/Sn合金，因为其回流焊特性如自中心作用以及焊料下落等。自中心作用减小了对芯片贴放的精度要求。下落特点减小了共面性差的问题。焊料凸点方法常见的凸点形成办法: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焊料“喷射”技术1、蒸镀凸点EvaporationthroughmaskC4)•Processsteps–Maskalignment–Sequentialevaporationof•ThinUBMlayer:Cr/Cr-Cu/Cu/Au•Ball:Pb/Sn–Reflowintospheres•Characteristics–ProprietaryofIBM–Needforametallicmask–Pitch200µm–Bumpheight100-125µm–ExpensiveEvaporationwiththickphotoresist•Processsteps–Spinonthickphotoresist(30-60µm)–Sequentialevaporationof•ThinUBMlayer:Cr/Cr-Cu/Cu/Au•Ball:Pb/Sn–Liftoffphotoresist–Reflowintospheres•Characteristics–Variationofpreviousmethod–Higherpitch蒸镀凸点步骤示意图步骤1、现场对硅片溅射清洗（前去除氧化物,使表面粗糙）2、金属掩模（由背板、弹簧、金属模板以及夹子等构成）3、UBM蒸镀（Cr/CrCu/Cu/Au)4.焊料蒸镀（97Pb/Sn或95Pb/Sn.100-125mm，圆锥台状）5.凸点成球(IBM的C4工艺回流成球状或者Motorola的E3工艺共晶部分回流）电镀凸点横截面示意图电镀凸点步骤示意图步骤1、硅片清洗（方法和目的与蒸镀中清洗相同）2、UBM沉积（TiW－Cu－Au，溅射到整个硅片上。理论上讲，UBM层提供了一个平均电流分布以利于一致的电镀。图(a)是硅片覆盖了TiW的情形，为了形成微球或者图钉帽结构，施加掩模（b），沉积一定高度的Cu和Au（c）凸点总体高度为85μmto100μm。3、焊料的电镀：再次施加掩模，以电镀凸点（d）。当凸点形成之后，掩模被剥离（e）。暴露在外的UBM刻蚀掉。4、回流成球见图（f）。•Characteristics–Otherbumpmaterials:•Au•Au/Sn–Theplatingprocesscaninducewaferstress–Equipmentcompatiblewithothermicroelectronictechnologies–Minimumpitch40µm–Bumpheight30-75µm•Difficulties:–Bumpheighthighlydependentincurrentdensity–Variationsincurrentdensityacrossthewafergivesnonuniformityinbumpheight–Difficultinusingthickphotoresists•Deposit•Align•Exposure电镀凸点PatternedthickPR(40mm)Platedbump,beforereflowAfterReflow(100mmball,280mmpitch)3、焊膏印刷凸点Delco电子（DE）、倒装芯片技术公司（FCT）、朗讯等公司广泛常用焊膏印刷成凸点的方法。目前各种焊膏印刷技术可达到250mm的细间距。下面简介DE/FCT的基本工艺。焊膏印刷凸点横截面示意图Screenprinting•Processsteps–Stencilalignment–Solderpastedepositionwithasqueegee–Reflowintospheres•Characteristics–Minimumpitch:200µm–Stencilprintingthickness:100-50µmSamebumpheight–Solderpastes:•Sn/Pb,Sn/Pb/Ag,Sn/Ag,Sn/Sb•Pbfreepastes:In,Pd,Sn/Ag/Cu–Mostwidespread–Veryhighyield焊膏印刷凸点的步骤示意图步骤1、清洗：方法与目的与蒸镀相同。2、UBM沉积图（a）：溅射Al、Ni、Cu三层。3、图形刻蚀成型：在UBM上施用一定图样的掩模，刻蚀掉掩模以外的UBM（b），然后去除掩模，露出未UBM（c）。4、焊膏印刷以及回流：见图（d）（e）焊料印刷凸点形貌4、钉头焊料凸点使用标准的导线键合中的方法来形成凸点，Au丝线或者Pb基的丝线。其过程与导线键合基