倒裝芯片與表面貼裝工藝

黃強（中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）1引言

蜂窩電話，個人數(shù)碼助理機(PDA)，數(shù)碼相機等各種消費類電子產(chǎn)品已逐漸變得更小，反應更為迅速，同時智能化的程度也越來越高。因而，電子封裝及組裝工藝必須跟上這一快速發(fā)展的步伐。隨著材料性能、設備及工藝水平的不斷提高，使得越來越多的電子制造服務公司(EMS)不再滿足于常規(guī)的表面貼裝工藝(SMT)，而不斷嘗試使用新型的組裝工藝，這其中就包括倒裝芯片(FC)。

為滿足市場對提供“全方位解決方案”的需求，EMS公司與半導體封裝公司不論在技術還是在業(yè)務上都有著逐步靠攏相互重疊的趨勢，但這對雙方均存在不小的挑戰(zhàn)。當電子產(chǎn)品從板上組裝向元件組裝(如FCBGA或SIP)轉變時，將會產(chǎn)生許多全新的問題，其中包括互連時產(chǎn)生的應力，材料的不相容，加工工藝等的變化。

不管你是否打算在新產(chǎn)品中使用FC技術或者你正在考慮選擇使用FC技術的最佳時機，都有必要了解FC技術并充分認識使用該技術可能帶來的各種問題。

2FC技術簡介

FC是指將芯片與基板直接安裝互連的一種方法。與另兩種已得到廣泛應用的芯片級互連方法WB和TAB相比，F(xiàn)C的芯片正面朝下，芯片上的焊區(qū)直接與基板上的焊區(qū)互連。與此同時，F(xiàn)C不僅僅是一種高密度芯片互連技術，它還是一種理想的芯片粘接技術，也正因為如此，F(xiàn)C在PGA，BGA和CSP中都得到了廣泛的應用。由于FC的互連線非常短，而且I／O引出端分布于整個芯片表面，同時FC也適合使用SMT的技術手段來進行批量化的生產(chǎn)，因此FC將是封裝以及高密度組裝技術的最終發(fā)展方向。

嚴格地講，F(xiàn)C并不是一項新的技術，早在1964年，為克服手工鍵合可靠性差和生產(chǎn)率低的缺點，IBM公司在其360系統(tǒng)中的固態(tài)邏輯技術(SLT)混合組件中首次使用了該項技術。但從上世紀60年代直至80年代一直都未能取得重大的突破。直至近十年隨著在材料、設備以及加工工藝等各方面的不斷發(fā)展，同時隨著電子產(chǎn)品小型化、高速度、多功能趨勢的日益增強，F(xiàn)C又再次得到了人們的廣泛關注。

FC自IBM的貝爾實驗室首次開發(fā)至今已有40余年的歷史，種類已有很多。如基板可選擇陶瓷或PCR凸點又可分為焊料凸點以及非焊料凸點兩大類，而非焊料凸點又包括金凸點和聚合物凸戍焊料凸點的制備可采用電鍍法、蒸發(fā)／濺射法、噴射凸點法等。不同種類的FC都有其各自的優(yōu)點和不足，其中焊料凸點倒裝芯片或稱可控塌陷芯片(C4)技術由于可采用SMT在PCB上直接貼裝并倒裝焊，可以實現(xiàn)FC制造工藝與SMT的有效結合，因而已成為當前國際上最為流行且最具發(fā)展?jié)摿Φ腇C技術，這也正是本文所主要討論的內(nèi)容。

C4技術最早是采用與硅的CTE相近的陶瓷作為基板材料。然而，由于陶瓷的價格較高，同時介電常數(shù)過高，容易導致信號的延遲，此時有機的PCB基板開始進入人們的視野。但PCB與硅的CTE差別過大，溫度循環(huán)時很容易因過大的內(nèi)應力造成焊接點的疲勞破壞。因此，直到上世紀八十年代，即在下填充技術發(fā)明之前，F(xiàn)C一直沒實現(xiàn)實用化。

使用下填充料后焊點的疲勞壽命提高了10~100倍，然而，一方面填充的過程很費時間，另一方面也給返修帶來了一定的困難，這已成為當前研究下填充技術的兩個重要方向。除上述的下填充技術以外，芯片上“重新布線層”的制備以及與現(xiàn)有SMT設備的兼容問題是影響FC推廣應用的兩個關鍵。

3焊料凸點倒裝芯片工藝

典型的焊料凸點FC的工藝流程如圖1所示，包括以下幾個主要工藝步驟：涂覆焊料，放置芯片，回流焊和下填充。

為了提高產(chǎn)品的成品率，還必須對其它相關的規(guī)范和技術要求有一個透徹的理解。設計時首先必須考慮焊料球和焊球下金屬化層(UBM)的結構，其目的是盡可能地減少由于芯片與基板互連時造成的內(nèi)應力。根據(jù)已有的可靠性模型，如果設計合理的話，只會在焊料球的內(nèi)部發(fā)生失效，可通過正確設計焊盤的結構、鈍化層／聚酰亞胺的開口以及UMB的結構來實現(xiàn)。鈍化層的開口應起到減小電流密度、減少應力集中區(qū)域的密度、提高電遷移的時間以及盡可能增大UMB和焊料球的橫截面積。

焊料球的排布是設計時另一個需重點考慮的問題。除用來標明方向以外，所有焊料球的分布應盡可能地對稱，同時還要考慮不會對后序的劃片造成影響。除此以外，IC的其它設計準則同樣也必須遵守，與此同時，為確保焊料球以及最終焊接后的質(zhì)量，焊料球公司制定的一系列相應的規(guī)定也同樣應當遵守。

電路板設計時須考慮的因素包括金屬焊盤的尺寸以及焊料球開口的設計。首先，為增大結點的強度，應盡可能增大電路板上金屬焊盤的面積，但同時必須與UMB的大小相匹配。這樣將有利于形成一個對稱的互連結構，從而防止在互連的一端產(chǎn)生過高的應力。實際上，板上焊盤的尺寸略小于UMB將使得應力偏向于電路板一邊而不是強度較弱的IC一側。通過設計掩膜開口尺寸的劃、可起到控制焊料球在電路板上浸潤尺寸大小的作用。如果設計不合理的話，電路板由于溫度循環(huán)或機械沖擊時，焊料球在靠近IC一側很容易產(chǎn)生疲勞斷裂。盡管下填料的加入可有效提高互聯(lián)的可靠性，但如果沒有嚴格遵循相關設計規(guī)范的話，相同類型的失效還會發(fā)生。

4焊料凸點

焊料凸點不僅起到了IC和電路板機械互連的作用，同時為兩者提供了電和熱的通道。在一個典型的FC器件中，芯片上的凸點由UBM和焊料球兩部分組成，如圖2所示。UBM是焊盤和焊球之間的金屬過渡層，位于圓片鈍化層的上部。作為焊料球的基底，UBM與圓片上的金屬化層有著非常好的粘附特性，與焊料球之間也有著良好的潤濕特性。UBM在焊料球與IC金屬焊盤之間作為焊料的擴散層，同時UBM作為氧化阻擋層還起著保護芯片的作用。

芯片凸點的制備方法有多種，可通過蒸發(fā)法使用掩膜板或光刻工藝在圓片上形成UBM阻擋層，隨后在其上蒸發(fā)Sn-Pb合金焊料球，通過回流焊工藝形成球形的焊料球。該工藝適用高鉛含量的焊料球的制備，配合使用陶瓷基板則適合高溫條件下的使用。當使用有機基板時，則要求使用共晶焊料。目前，低成本的焊球制備工藝，如電鍍法或模板印刷法己得到了更為廣泛的應用。其它合金焊料，包括高鉛焊料、無鉛焊料、低。輻射焊料也同樣得到了較為廣泛的應用。

當使用電鍍法制備芯片凸點時，UBM通常濺射到整個晶圓的表面，隨后涂覆光刻膠，并通過后續(xù)的光刻在芯片焊盤處形成開口。通過電鍍法在開口處形成焊料，剝?nèi)ス饪棠z，通過腐蝕去除暴露在外的UBM，并通過回流焊形成焊球。凸點高度的一致性對組裝后的成品率有著很大的影響?？衫闷茐男酝裹c剪切強度試驗來控制制備凸點工藝，大量試驗表明，破壞多發(fā)生在焊料球處，而在UBM和芯片焊盤處則很少出現(xiàn)破壞。

5助焊劑的涂覆、貼裝及回流焊

劃片后從貼片環(huán)上取下芯片。目前尚沒有傳遞裸芯片元件的工業(yè)標準，通常傳遞元件的方法有華夫式包裝，冷凝式包裝和長條帶式包裝。使用的貼裝設備必須要與所使用的傳遞方法相容。華夫式包裝適用于小批量或KGD芯片的傳遞，而長條帶式包裝則可以與現(xiàn)有的SMT設備很好地兼容，故而適用于大批量生產(chǎn)。

助焊劑的涂覆是FC組裝工藝的第一個步驟(見圖1)。涂覆助焊劑的方法有很多，包括有噴涂法、點除法、浸漬法和模板印刷法。噴涂法是在貼裝元件之前將液體焊劑霧化，并噴淋在貼裝位置上。點涂法則是將助焊劑一滴滴點涂在己定位的元件底部。浸漬法使用旋轉式涂覆機器，當元件位于焊劑涂覆機工作臺時，為定位的方便，可將少量粘性材料沉積到凸點之上，該法適用于中等規(guī)模的批量生產(chǎn)。還需指出的是，不論使用那一種方法，所使用的助焊劑材料對涂覆工藝起著非常關鍵的作用。助焊劑必須具有足夠的粘性，良好的潤濕性以及盡可能少的殘余物。

涂覆助焊劑即進行芯片的拾取和貼裝。目前多采用高速的貼裝及超高速的定位系統(tǒng)進行。影響貼裝的主要因素包括有芯片的拾取，定位的準確性和可重復性，貼裝頭下壓力的大小及時間等。定位的誤差通常要求為焊球間距的10％。貼裝頭的頂部要根據(jù)傳送類型、芯片的大小、焊料球的排布方式加以選擇。為防止對芯片或焊料球造成不必要的損傷，頂部的硬度必須合適。

為減少回流焊之前已貼裝好芯片的移動，應盡可能地減少傳遞和運輸。在后序的回流焊工藝中也同樣要注意這一點。為保證焊點的質(zhì)量，對回流焊時爐腔的氣氛，工藝曲線要加以嚴格的控制。主要工藝參數(shù)包括有峰值溫度，溫度超過液相線的時間和降溫速率。為防止基板的破壞，焊球處形成孑L洞等缺陷，最好是將熱電偶直接置于芯片的下方，這樣可以更精確地控制回流的溫度。

6下填充材料的充填

大部分下填料是在回流焊工藝之后進行，在某些情況下也可以在回流焊工藝之前進行。當然，不同工藝對下填料的性能要求也不相同，據(jù)此可將下填料分成兩類：回流焊后下填充材料和回流焊前的下填充材料。由于前者要求所用的填充料具有一定的流動性，而后者則恰恰相反，所以也可將兩者分別稱作流動的下填充材料和不流動的下填充材料。

使用流動下填充料的常規(guī)填充工藝是利用裝有填料的點膠機沿芯片的一邊或兩邊施加填料，在芯片和基板之間縫隙的毛細管虹吸作用下，達到充填的目的。此時，充填的質(zhì)量取決于芯片的尺寸和形狀、縫隙的大小、焊點的排布方式，填充料的粘度以及填充料與芯片及電路板的潤濕特性。其它工藝參數(shù)，包括點膠頭的孔徑，點膠頭距芯片邊緣的距離，距電路板的高度以及點膠的速度均會影響填充的質(zhì)量。同時，為改善填料的流動性和防止其發(fā)生凝膠化反應，電路板的溫度也是一個非常重要的工藝參數(shù)，工藝過程中也須嚴格控制?？赏ㄟ^C模式掃描超聲顯微鏡(C-SAM)觀察是否有孔洞和剝層，進而監(jiān)控充填的質(zhì)量。一旦在填充料與芯片和電路板之間形成剝層，將會導致應力集中，造成焊點過早破壞，特別是當環(huán)境潮濕或外界溫差變化較大時。在其后的固化過程中，為充分發(fā)揮下填料的作用，對固化的溫度、溫度的均勻性、固化的時間以及爐腔內(nèi)氣氛等也要加以控制。

為了克服回流焊后下填充材料工藝過程較慢，同時與SMT工藝不兼容的不足，人們開發(fā)了不流動的下填料。它可以在制造階段預先施加在整個圓片上，劃片后裝配于整個基板上，填充料的固化和焊點的連接可在回流焊過程中一步實現(xiàn)。

7結束語

當前約有1％的芯片是利用FC技術組裝，但隨著微電子及電子封裝技術的快速發(fā)展，特別是與SMT工藝相互結合后，F(xiàn)C終將會得到為迅速的發(fā)展并最終成為一種成熟的工藝技術。