倒裝芯片與表面貼裝工藝

黃強(qiáng)（中國電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）1引言

蜂窩電話，個(gè)人數(shù)碼助理機(jī)(PDA)，數(shù)碼相機(jī)等各種消費(fèi)類電子產(chǎn)品已逐漸變得更小，反應(yīng)更為迅速，同時(shí)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(shè)備及工藝水平的不斷提高，使得越來越多的電子制造服務(wù)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(dǎo)體封裝公司不論在技術(shù)還是在業(yè)務(wù)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(dāng)電子產(chǎn)品從板上組裝向元件組裝(如FCBGA或SIP)轉(zhuǎn)變時(shí)，將會產(chǎn)生許多全新的問題，其中包括互連時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)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(shù)或者你正在考慮選擇使用FC技術(shù)的最佳時(shí)機(jī)，都有必要了解FC技術(shù)并充分認(rèn)識使用該技術(shù)可能帶來的各種問題。

2FC技術(shù)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(yīng)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(shí)，F(xiàn)C不僅僅是一種高密度芯片互連技術(shù)，它還是一種理想的芯片粘接技術(shù)，也正因?yàn)槿绱耍現(xiàn)C在PGA，BGA和CSP中都得到了廣泛的應(yīng)用。由于FC的互連線非常短，而且I／O引出端分布于整個(gè)芯片表面，同時(shí)FC也適合使用SMT的技術(shù)手段來進(jìn)行批量化的生產(chǎn)，因此FC將是封裝以及高密度組裝技術(shù)的最終發(fā)展方向。

嚴(yán)格地講，F(xiàn)C并不是一項(xiàng)新的技術(shù)，早在1964年，為克服手工鍵合可靠性差和生產(chǎn)率低的缺點(diǎn)，IBM公司在其360系統(tǒng)中的固態(tài)邏輯技術(shù)(SLT)混合組件中首次使用了該項(xiàng)技術(shù)。但從上世紀(jì)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(shè)備以及加工工藝等各方面的不斷發(fā)展，同時(shí)隨著電子產(chǎn)品小型化、高速度、多功能趨勢的日益增強(qiáng)，F(xiàn)C又再次得到了人們的廣泛關(guān)注。

FC自IBM的貝爾實(shí)驗(yàn)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(diǎn)又可分為焊料凸點(diǎn)以及非焊料凸點(diǎn)兩大類，而非焊料凸點(diǎn)又包括金凸點(diǎn)和聚合物凸戍焊料凸點(diǎn)的制備可采用電鍍法、蒸發(fā)／濺射法、噴射凸點(diǎn)法等。不同種類的FC都有其各自的優(yōu)點(diǎn)和不足，其中焊料凸點(diǎn)倒裝芯片或稱可控塌陷芯片(C4)技術(shù)由于可采用SMT在PCB上直接貼裝并倒裝焊，可以實(shí)現(xiàn)FC制造工藝與SMT的有效結(jié)合，因而已成為當(dāng)前國際上最為流行且最具發(fā)展?jié)摿Φ腇C技術(shù)，這也正是本文所主要討論的內(nèi)容。

C4技術(shù)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(jià)格較高，同時(shí)介電常數(shù)過高，容易導(dǎo)致信號的延遲，此時(shí)有機(jī)的PCB基板開始進(jìn)入人們的視野。但PCB與硅的CTE差別過大，溫度循環(huán)時(shí)很容易因過大的內(nèi)應(yīng)力造成焊接點(diǎn)的疲勞破壞。因此，直到上世紀(jì)八十年代，即在下填充技術(shù)發(fā)明之前，F(xiàn)C一直沒實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。

使用下填充料后焊點(diǎn)的疲勞壽命提高了10~100倍，然而，一方面填充的過程很費(fèi)時(shí)間，另一方面也給返修帶來了一定的困難，這已成為當(dāng)前研究下填充技術(shù)的兩個(gè)重要方向。除上述的下填充技術(shù)以外，芯片上“重新布線層”的制備以及與現(xiàn)有SMT設(shè)備的兼容問題是影響FC推廣應(yīng)用的兩個(gè)關(guān)鍵。

3焊料凸點(diǎn)倒裝芯片工藝

典型的焊料凸點(diǎn)FC的工藝流程如圖1所示，包括以下幾個(gè)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(guān)的規(guī)范和技術(shù)要求有一個(gè)透徹的理解。設(shè)計(jì)時(shí)首先必須考慮焊料球和焊球下金屬化層(UBM)的結(jié)構(gòu)，其目的是盡可能地減少由于芯片與基板互連時(shí)造成的內(nèi)應(yīng)力。根據(jù)已有的可靠性模型，如果設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)焊盤的結(jié)構(gòu)、鈍化層／聚酰亞胺的開口以及UMB的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。鈍化層的開口應(yīng)起到減小電流密度、減少應(yīng)力集中區(qū)域的密度、提高電遷移的時(shí)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(shè)計(jì)時(shí)另一個(gè)需重點(diǎn)考慮的問題。除用來標(biāo)明方向以外，所有焊料球的分布應(yīng)盡可能地對稱，同時(shí)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(shè)計(jì)準(zhǔn)則同樣也必須遵守，與此同時(shí)，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(yīng)的規(guī)定也同樣應(yīng)當(dāng)遵守。

電路板設(shè)計(jì)時(shí)須考慮的因素包括金屬焊盤的尺寸以及焊料球開口的設(shè)計(jì)。首先，為增大結(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度，應(yīng)盡可能增大電路板上金屬焊盤的面積，但同時(shí)必須與UMB的大小相匹配。這樣將有利于形成一個(gè)對稱的互連結(jié)構(gòu)，從而防止在互連的一端產(chǎn)生過高的應(yīng)力。實(shí)際上，板上焊盤的尺寸略小于UMB將使得應(yīng)力偏向于電路板一邊而不是強(qiáng)度較弱的IC一側(cè)。通過設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)不合理的話，電路板由于溫度循環(huán)或機(jī)械沖擊時(shí)，焊料球在靠近IC一側(cè)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(yán)格遵循相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范的話，相同類型的失效還會發(fā)生。

4焊料凸點(diǎn)

焊料凸點(diǎn)不僅起到了IC和電路板機(jī)械互連的作用，同時(shí)為兩者提供了電和熱的通道。在一個(gè)典型的FC器件中，芯片上的凸點(diǎn)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(kuò)散層，同時(shí)UBM作為氧化阻擋層還起著保護(hù)芯片的作用。

芯片凸點(diǎn)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(dāng)使用有機(jī)基板時(shí)，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(yīng)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(yīng)用。

當(dāng)使用電鍍法制備芯片凸點(diǎn)時(shí)，UBM通常濺射到整個(gè)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(diǎn)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(diǎn)剪切強(qiáng)度試驗(yàn)來控制制備凸點(diǎn)工藝，大量試驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)，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(shè)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(shè)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(gè)步驟(見圖1)。涂覆助焊劑的方法有很多，包括有噴涂法、點(diǎn)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(diǎn)涂法則是將助焊劑一滴滴點(diǎn)涂在己定位的元件底部。浸漬法使用旋轉(zhuǎn)式涂覆機(jī)器，當(dāng)元件位于焊劑涂覆機(jī)工作臺時(shí)，為定位的方便，可將少量粘性材料沉積到凸點(diǎn)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(guān)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(jìn)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(jìn)行。影響貼裝的主要因素包括有芯片的拾取，定位的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性，貼裝頭下壓力的大小及時(shí)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(yīng)盡可能地減少傳遞和運(yùn)輸。在后序的回流焊工藝中也同樣要注意這一點(diǎn)。為保證焊點(diǎn)的質(zhì)量，對回流焊時(shí)爐腔的氣氛，工藝曲線要加以嚴(yán)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(shí)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(jìn)行，在某些情況下也可以在回流焊工藝之前進(jìn)行。當(dāng)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(diǎn)膠機(jī)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(xì)管虹吸作用下，達(dá)到充填的目的。此時(shí)，充填的質(zhì)量取決于芯片的尺寸和形狀、縫隙的大小、焊點(diǎn)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(diǎn)膠頭的孔徑，點(diǎn)膠頭距芯片邊緣的距離，距電路板的高度以及點(diǎn)膠的速度均會影響填充的質(zhì)量。同時(shí)，為改善填料的流動性和防止其發(fā)生凝膠化反應(yīng)，電路板的溫度也是一個(gè)非常重要的工藝參數(shù)，工藝過程中也須嚴(yán)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(jìn)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(dǎo)致應(yīng)力集中，造成焊點(diǎn)過早破壞，特別是當(dāng)環(huán)境潮濕或外界溫差變化較大時(shí)。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(shí)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(shí)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(yù)先施加在整個(gè)圓片上，劃片后裝配于整個(gè)基板上，填充料的固化和焊點(diǎn)的連接可在回流焊過程中一步實(shí)現(xiàn)。

7結(jié)束語

當(dāng)前約有1％的芯片是利用FC技術(shù)組裝，但隨著微電子及電子封裝技術(shù)的快速發(fā)展，特別是與SMT工藝相互結(jié)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(shù)。