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在微系統(tǒng)集成中使用的倒裝芯片工藝技術(shù)（凸點(diǎn)工藝）

發(fā)布時(shí)間：2020-05-14

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1    倒裝芯片凸點(diǎn)工藝

       芯片凸點(diǎn)是 FC 互連中的關(guān)鍵組成部分之一，具有在芯片與基板間形成電連接、形成芯片與基板間的結(jié)構(gòu)連接以及為芯片提供散熱途徑三個(gè)主要功能。

1. 1   凸點(diǎn)下金屬化層

       在芯片表面金屬層上制備芯片凸點(diǎn)時(shí)，為了防止封裝中的金屬及污染離子向芯片表面金屬層擴(kuò)散造成腐蝕或形成硬脆的金屬間化合物 ( Intermetallic Compound，IMC) ，降低互連系統(tǒng)的可靠性，需要在芯片表面金屬層與芯片凸點(diǎn)之間添加凸點(diǎn)下金屬化層  ( Under Bump Metallurgy，UBM)  結(jié)構(gòu)作為過渡層。如圖 3 所示，UBM 結(jié)構(gòu)包括覆蓋在芯片金屬層上的粘接層、阻擋層、潤(rùn)濕層和抗氧化層。

FC 芯片 UBM 示意圖

圖 3 FC 芯片 UBM 示意圖

Fig. 3 Schematic diagram of UBM

       其中，粘接層能夠增強(qiáng)凸點(diǎn)和芯片金屬化層、芯片鈍化層之間的粘接力，提供牢固的鍵合界面，典型的粘接層材料有 Cr、Ti、Ni、W、TiW 和鋅酸鹽等。阻擋層的作用是防止金屬、污染離子向芯片金屬層和粘接層擴(kuò)散，阻擋層材料常采用 Cr、W、Ti、TiW、Ni 或 Cr-Cu。阻擋層上面是潤(rùn)濕層，可以為其上的凸點(diǎn)提供潤(rùn)濕對(duì)象，與凸點(diǎn)發(fā)生反應(yīng)生成  IMC 并形成鍵合（晶圓鍵合機(jī)）， 典型的潤(rùn)濕層金屬有 Cu、Ni、Pd 和 Pt。UBM 的最外層是可選擇使用的抗氧化層，目的是防止?jié)櫇駥拥难趸?，主要材料為很薄?Au 層［2］。

       UBM 的制作主要由物理氣相沉積  ( Physical Vapor Deposition，PVD)  工藝完成，PVD 可分為蒸鍍  ( Evaporation)  和濺射 ( Sputtering)  兩種，前者利用高溫將金屬熔融蒸發(fā)后鍍覆于晶圓上，后者利用高速粒子沖擊靶材激發(fā)出的靶材表面原子或分子落在晶圓上，兩種工藝均需在真空條件下完成?？紤]到蒸鍍成本較高，目前 UBM 多數(shù)由濺射工藝制作。

1. 2   C4 凸點(diǎn)

       最早的 FC 晶圓 C4 凸點(diǎn)制造技術(shù)是 IBM 公司開發(fā)的蒸鍍工藝，目前最常用的方法是電化學(xué)沉積或電鍍工藝。芯片凸點(diǎn)的蒸鍍工藝流程如下: 將鉬掩模板對(duì)中至晶圓，在晶圓上蒸鍍 UBM 層后進(jìn)行焊料的蒸鍍，隨后移去掩模板，最后通過回流焊使焊料成為光滑的球型。蒸鍍工藝的缺點(diǎn)是蒸鍍工藝較低的材料利用率增加了成本，同時(shí)蒸鍍工藝得到的凸點(diǎn)節(jié)距較大，較難應(yīng)用于細(xì)節(jié)距芯片。芯片凸點(diǎn)的電化學(xué)沉積或電鍍工藝如圖4 ( a) 所示，采用濺射方法沉積UBM，然后在UBM 層上涂覆光刻膠，使用掩模板進(jìn)行紫外線曝光，定義凸點(diǎn)的位置和形狀，在凸點(diǎn)位置電鍍一層 Cu 作為潤(rùn)濕層，然后電鍍焊料，剝離光刻膠并用過氧化氫或等離子蝕刻去除其他位置多余的 UBM，最后對(duì)晶圓進(jìn)行回流，在表面張力的作用下形成光滑的球型 C4 焊料凸點(diǎn)。電鍍工藝進(jìn)行焊料凸點(diǎn)制作的成本效益好、良率高、速度快且凸點(diǎn)密度高。焊料還可以通過焊膏的絲網(wǎng)印刷工藝來實(shí)現(xiàn)， 沉積 UBM 后，使用自動(dòng)漏印板或絲網(wǎng)印刷結(jié)合精密漏印板，對(duì)特制的焊膏進(jìn)行刮板印刷得到焊料 圖形，并采用回流焊的方式使焊料凸點(diǎn)變?yōu)榍蛐?。這種方法雖然成本較低，但是所得凸點(diǎn)的形狀粗 糙，且無法制作細(xì)節(jié)距凸點(diǎn)［2］。

       焊料凸點(diǎn)的材料可以被分為三種: 熔點(diǎn)超過250℃ 的高溫焊料 ( 95% Pb-5% Sn 與 97% Pb-3% Sn 等) 、熔點(diǎn)為 200℃ ～ 250℃ 的中溫焊料 ( 96. 5% Sn- 3. 0% Ag-0. 5% Cu， 99% Sn-0. 3% Ag-0. 7% Cu 與96. 5%Sn-3. 5%Ag 等)  以及熔點(diǎn)低于 200℃ 的低溫焊料 ( 37% Pb-63% Sn 共晶，42% Sn-58% Bi 共晶以及 48%Sn-52%In 等) 。

       C4 工藝可以達(dá)到較薄封裝外形和較高引腳密度的要求，且具有電性能優(yōu)良以及凸點(diǎn)芯片可返修等優(yōu)點(diǎn)。此外，C4 焊料凸點(diǎn)在熔融過程中的表面張力還可以幫助焊料與金屬層進(jìn)行自對(duì)準(zhǔn)，在一定程度上降低了對(duì)沉積精度及貼片精度的要求，一般 C4凸點(diǎn)芯片的焊料回流焊凸點(diǎn)節(jié)距可以小至 50μm［3］。在進(jìn)行芯片與基板之間鍵合的過程中，大多數(shù)C4 凸點(diǎn)采用的（晶圓鍵合機(jī)）鍵合方法為回流焊工藝。涂敷助焊劑后，將FC 表面向下對(duì)齊貼裝至底部芯片或基板，進(jìn)行回流焊。回流焊工藝過程中，焊料融化并潤(rùn)濕底部芯片或基板的技術(shù)層，表面張力作用下 FC 和底部芯片或基板發(fā)生自對(duì)準(zhǔn)并形成冶金結(jié)合。冶金結(jié)合的過程即焊料與金屬層發(fā)生反應(yīng)生成穩(wěn)定的 IMC 的過程，Cu6Sn5 與 Cu3Sn 是（晶圓鍵合機(jī)）鍵合過程中最常見的IMC，產(chǎn)生于Sn 基焊料與Cu 發(fā)生反應(yīng)時(shí)。

1. 3   Cu 柱 凸 點(diǎn)

       隨著 IC 集成度的提高，芯片凸點(diǎn)需要滿足細(xì)節(jié)距以及極細(xì)節(jié)距芯片的要求。而 C4 凸點(diǎn)回流后呈球型，尺寸較大，在節(jié)距較小時(shí)容易發(fā)生短路。因此，需要使用其他技術(shù)進(jìn)行細(xì)節(jié)距芯片的凸點(diǎn)制作，C2 ( Chip Connection)  技術(shù)是其中的主流技術(shù)之一。C2 技術(shù)中使用的  Cu 柱直徑不受高度影響，可以實(shí)現(xiàn)更細(xì)節(jié)距凸點(diǎn)的制備，Cu 柱可以分為不帶焊料帽以及帶焊料帽的 Cu 柱。C2 凸點(diǎn)的制造工藝基本與 C4 凸點(diǎn)相同，如圖 4 ( b) 所示，只不過電鍍過程中不再是電鍍焊料而改為電鍍 Cu。在帶焊料帽 Cu 柱制造過程中，除了電鍍 Cu 還會(huì)在Cu 柱上再電鍍一層厚度較薄的焊料帽。因?yàn)?Cu 的熱導(dǎo)率  (400W/ ( m·k) ) 和電阻率 ( 0. 0172μΩ·m) 都優(yōu)于焊料 ( 55W/ ( m · k)～60W/ ( m · k)  和（0.12μΩ·m～0. 14μΩ·m)，因此與C4 技術(shù)相比，C2凸點(diǎn)有更好的電性能、熱性能和力學(xué)性能。但是由于 C2 凸點(diǎn)的焊料體積非常小，甚至在不帶焊帽的 Cu 柱凸點(diǎn)中沒有焊料的存在，C2 凸點(diǎn)的表面張力不足以執(zhí)行 Cu 柱與焊帽的自對(duì)準(zhǔn)，故 C2 凸點(diǎn)的自對(duì)準(zhǔn)性不如 C4 焊料凸點(diǎn)。

C4 凸點(diǎn)工藝流程

(a)    C4 凸點(diǎn)工藝流程

帶焊帽 C2 凸點(diǎn)工藝流程

(b)    帶焊帽 C2 凸點(diǎn)工藝流程

圖 4 芯片凸點(diǎn)示工藝流程

Fig. 4 Processes of wafer bumping

       C2 凸點(diǎn)的回流焊鍵合工藝過程與 C4 相同，涂敷助焊劑后，將 FC 對(duì)齊至底部芯片或基板，隨后通過回流焊進(jìn)行鍵合（晶圓鍵合機(jī)），C2 回流焊凸點(diǎn)的間距可以小至 25μm［3］。

       近年來，具有 C2 凸點(diǎn)的芯片向硅、陶瓷或有機(jī)封裝基板的熱壓鍵合成為研究熱點(diǎn)。C2 凸點(diǎn)熱壓（晶圓鍵合機(jī)）鍵合過程如下: 在焊料蓋、基板或兩者表面都涂覆助焊劑，隨后將 FC 拾取并對(duì)準(zhǔn)放置在基板上，施加溫度熔化焊料的同時(shí)，施加較小的壓力 將芯片固定在離底部芯片或基板一定距離的位置。與回流焊相比，C2 凸點(diǎn)的熱壓鍵合只能進(jìn)行單個(gè)芯片的封裝，因此封裝效率較低，但是這種封裝 方法可以使芯片上的 Cu 柱間距小至 8μm［3］。

       不帶焊帽的 Cu 柱還可以采用 Cu 對(duì) Cu 直接鍵合的方法進(jìn)行鍵合，Cu-Cu 擴(kuò)散鍵合可以滿足超細(xì)節(jié)距和超小焊盤尺寸的要求，焊盤間距小至5μm［3］。為了減少氧化物生成對(duì)鍵合質(zhì)量和可靠性的影響，Cu-Cu 鍵合通常使用熱壓鍵合的方法在高溫  ( 約 400℃ ) 、高壓和長(zhǎng)時(shí)間  ( 60min ～ 120min)下進(jìn)行，這對(duì)封裝的效率和可靠性都非常不利。Cu-Cu 鍵合也可以在室溫下進(jìn)行，但室溫（晶圓鍵合機(jī)）鍵合在提高封裝效率、降低成本的同時(shí)，也必須滿足焊盤/ 布線/ 晶圓的平面化、保證鍵合表面平整及非常高的潔凈室等級(jí)等要求，才能獲得高質(zhì)量鍵合。Cu- Cu 鍵合目前主要用于晶圓對(duì)晶圓 ( Wafer to Wafer，W2W) 組裝，還沒有大規(guī)模生產(chǎn)及應(yīng)用。

1. 4   扇入及扇出型晶圓級(jí)封裝

       扇入型晶圓級(jí)封裝，即晶圓級(jí)芯片尺寸封裝( Wafer-Level Chip Scale Package， WLCSP ) 。其制造工藝過程與 C4 焊料凸點(diǎn)基本一致，只不過沒有在晶片上芯片的原始焊盤上制造焊料凸點(diǎn)，而是通過添加再分布層 ( Ｒedistribution Layer，ＲDL)   將原始焊盤轉(zhuǎn)移 ( 扇入) 到芯片內(nèi)部，制造間距和尺寸均更大的焊盤，進(jìn)而降低凸點(diǎn)制造的難度。ＲDL 是在晶圓表面沉積金屬層和介電層形成的金屬布線圖形，最常用的金屬材料和介電層材料分別為 Cu 和 SiO2 。ＲDL 的制造有兩種方法，第一種是以金屬層的干蝕刻方式來制作金屬導(dǎo)線，然后 進(jìn)行介電層的填充; 另一種是則是先在介電層上蝕刻金屬導(dǎo)線用的圖形，然后再電鍍金屬。通過ＲDL 可以實(shí)現(xiàn)芯片 I / O 端口的重新布局，將其布置到新的、節(jié)距占位更為寬松的區(qū)域，在 WLCSP中這個(gè)寬松區(qū)域即為芯片內(nèi)部，如圖 5 ( a) 所示。但隨著芯片不斷向小型化和多功能化方向發(fā)展，芯片所需的引腳數(shù)越來越多，要求芯片上的 焊盤越來越小，直至芯片大小無法滿足日益增加 的引腳數(shù)。這個(gè)問題可以通過扇出型晶圓級(jí)封裝( Fan-Out Wafer-Level Packaging，F(xiàn)OWLP)  來解決， FOWLP 封裝工藝流程簡(jiǎn)單且成本低廉:  1)  劃切晶圓分離芯片，將芯片放置于帶有雙面熱解膠帶 圓形或矩形的臨時(shí)載體上; 2)  使用環(huán)氧樹脂塑封料  ( Epoxy Mold Compound，EMC)   的壓縮成型方法對(duì)重新配置的載體進(jìn)行一體成型，形成重構(gòu)晶圓 ( Ｒeconstituted Wafer) ;   3)  移除載體和雙面膠帶，并反轉(zhuǎn)整個(gè)重構(gòu)晶圓，在表面構(gòu)建用于信號(hào) 傳輸?shù)?ＲDL;  4)  安裝焊球，并將重構(gòu)晶圓  ( 含良好芯片、ＲDL 和焊球) 切成單個(gè)封裝。FOWLP 通過 ＲDL 將芯片 I / O 端口重新布局到芯片外部的 EMC 中，如圖 5 ( b)  所示。FOWLP 技術(shù)漸趨成熟，已經(jīng)量產(chǎn)且應(yīng)用在手機(jī)的射頻、電源管理、應(yīng)用處理器及儲(chǔ)存器的 ASIC 上。

扇入型封裝

(a)     扇入型封裝

扇出型封裝

(b)    扇出型封裝

圖 5 扇入及扇出型封裝

Fig. 5 Fan-in and fan-out packaging

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