实现芯片级封装的技术主要有四种:超声引线键合技术(WB,Wire Bonding)、载带自动键合技术(TAB,Tape Automated Bonding)、倒装芯片技术(FC,Flip Chip)和硅通孔技术(TSV,Through Silicon Via)。
WB技术是指超声辅助的作用下实现金属引线与焊盘的键合,按键合方式分为热超声球形键合和超声楔形键合。WB以其优异的可靠性占芯片级封装市场的90%,但由于引线键合形成的连接有一定的高度会影响封装的尺寸、产生电信号的延迟、增加电阻值,因此寻找适合小尺寸封装的新一级封装技术已成为研究热点。TAB技术是在热压模下用引线排将芯片一次性键合到载带上的技术,这种技术中金属凸点、载带及热压模的制造都为大规模生产带来了巨大的挑战。TSV技术是正在兴起的新技术,这种技术中的连接主要靠Cu凸点与硅通孔中预镀的Au 层之间的连接,适用于3D叠层封装,并且由于电子产品对封装尺寸的要求很高,硅通孔的尺寸很小,所以硅通孔中Au镀层的均匀性及连接的可靠性都给该技术的发展和应用带来了很大的挑战。二、倒装芯片(FlipChip)技术FlipChip(FC)技术是将芯片的有源侧倒置对准基板进行微连接的方法,有源器件的倒置减小了电子产品的封装尺寸,并且由于焊点尺寸的可控,此种方法适合细引脚间距的高集成度及大功率电子产品的封装。倒装芯片示意图如下:要实现倒装芯片工艺,需要实现芯片表面凸点的制作,常见的凸点形成办法有以下六种:
钉头焊料凸点(Stud Bump Bond)、蒸镀焊料凸点、电镀焊料凸点、印刷焊料凸点、放球凸点、焊料转移凸点。日常中我们所使用的手机摄像头封装,其中成像芯片与基板连接所使用的技术,便是倒装芯片中的金钉头凸点(SBB)连接:三、什么是金钉头凸点(SBB,Stud Bump Bond)?倒装芯片钉头凸点的制作是利用金属丝形成的无空气球(FAB, Free air ball)将芯片I/O端口与封装引脚或者基板上布线焊区互连;在超声能量、键合压力等因素共同作用之下,把键合界面表面氧化物和污物除掉,同时键合界面发生塑性形变,使键合接触面金属内部发生位错而激发原子扩散,形成牢固的金属倒装钉头凸点。对于金丝热压超声键合,金丝的直径一般在0.5mil~2.5mil之间(1mil=25μm),倒装芯片焊盘的材料一般是铝焊盘(也有镀金焊盘),表面镀大约厚为2μm厚的铝(金)。下图是制作镀金凸点所需要的设备和辅料,包括键合机台、劈刀(Capillary毛细管)、金线:其中键合机台行业应用较多的是Kulicke and Soffa (KS)型键合机,设备内部构造图如下所示:
设备焊头部分是金钉头凸点制作的关键部分,如下图所示,焊头部分包括引线张力器、玻璃引线管、电极(也称打火杆)、毛细管(也称劈刀),金线夹。
在键合准备阶段,线夹打开,加热块已经加热到一定的温度;劈刀先下移一段距离,使劈刀嘴与打火杆接近。此时电子打火系统在极短时间内释放约2000V的高压电使得劈刀尖部的金丝尾丝与打火杆电极之间形成回路,使露出劈刀嘴的一小段金丝在电流的作用下形成 FAB(Free air ball无空气球),接下来劈刀继续下移,使FAB与芯片焊盘接触,在键合压力的作用下FAB形成一个固定的饼形,随后劈刀的压力减少,超声能量开始作用使FAB与焊盘形成牢固的连接,键合完成后,劈刀上移一段距离使劈刀嘴能够留出一小段金丝,以便为下一次键合电火花塞工作形成FAB,劈刀上移一段距离后停止上升,线夹把金丝加紧,劈刀带着线夹和金丝继续上移,上移的过程中把金丝拉断,留下钉头凸点。
倒装芯片叠层金钉头凸点键合第一层金钉头凸点是在铝焊盘上键合完成,在完成第一层金钉头凸点的基础上,制作完成第二层金钉头凸点的键合而实现整个叠层金钉头凸点的键合,整个键合过程与第一层金钉头凸点的键合过程类似。金钉头凸点的键合过程主要受到键合压力、键合功率以及键合时间等因素共同的影响。金钉头凸点的形成过程如下图所示:金钉头凸点键合过程主要分为三个阶段:
第一阶段为碰撞阶段,即键合压力集中作用阶段,该阶段特点是键合压力最大,键合功率在此阶段没有施加。第二阶段是键合准备阶段,劈刀将为金钉头凸点与焊盘产生键合动作做准备;此阶段键合压力出现减少。第三阶段为键合发生阶段,该阶段是金凸点与焊盘形成键合的阶段,是键合功率和键合压力共同作用的阶段;该阶段劈刀在超声波的作用下开始剧烈运动,键合表面发生破坏,牢固的键合在极短时间内快速形成。四、影响金钉头凸点的因素1、劈刀的选择倒装叠层金钉头凸点键合过程中,每个金钉头凸点键合一致性是保证键合成功的关键因素。劈刀(Capillary)尺寸,决定了叠层金钉头凸点的键合特性以及金钉头凸点的几何特征。因此,为了获得键合一致性好的金钉头凸点,需要选择合适的劈刀。劈刀孔的尺寸(Hole Size,H)、倒圆直径(Chamfer Diameter,CD)以及倒角(Chamfer Angle,CA)通常是劈刀选择的最主要参考因素。下图是Kulicke and Soffa一款劈刀的相关参数:2、第一层金钉头凸点效果的影响倒装叠层金钉头凸点键合是在完成第一层金钉头凸点键合之后,接着进行第二层金钉头凸点的键合,即叠层金钉头凸点是由第一层金钉头凸点和第二层金钉头凸点组成。下图分别是第一层金钉头凸点和叠层金钉头凸点显微结构图。第一层金钉头凸点键合是叠层金钉头凸点键合的组成部分,第一层金钉头凸点键合的好坏及其尺寸参数都对第二层金钉头凸点键合造成影响。第一层金钉头凸点的关键尺寸参数如下图所示,图中d为金丝的直径,由键合所使用的金丝决定,高度h是键合劈刀形状决定,金钉头凸点高度H和金钉头凸点最大径向直径 D 由键合工艺参数共同决定。
提升金钉头凸点质量好坏主要通过对下列因素进行优化:(a)金球位置测试(Bump Placement)(b)金球推力(Bump Shear)(c)金球直径( Bump Diameter)(d)金球厚度(Bump Thickness)(e)金球高度(Bump Height)(f)弹坑测试(Crater Test)(g)合金率测试(IMC)针对金球推力的测量按照下方图片操作方式进行测试:针对实际应用中,出现的一些常见问题,可以从以下几方面来改善:五、金钉头凸点仿真分析通过对金丝键合整个过程进行仿真分析,仿真数据如下图所示:在金钉头凸点键合碰撞阶段,金钉头凸点的应力分布是不均匀的,并且应力水平比较高,应力水平较大区域位于金钉头凸点内部以及金凸点与焊盘的接触面处,这些区域是键合压力集中作用的区域。下图是焊盘应力分布正视图,焊盘的应力集中分布于以键合中心为圆心的圆形区域,其中较大应力分布于该圆周边区域,与较小应力区域有明显界限,此处焊盘的变形将更加剧烈,剧烈的变形将引起更多位错而使键合更加容易形成键合。右图所示为金钉头凸点的键合痕迹。其中灰白色区域是键合形成区域,可见键合主要形成于以焊盘几何中心为中心的同心圆的周边区域,这与倒装金钉头凸点键合过程中较大应力分布区域对应。倒装叠层金钉头凸点的键合是在完成第一层金钉头凸点的基础上,继续键合完成第二层金钉头凸点。整个键合过程中,劈刀对第一层金钉头凸点和对第二层金钉头凸点应力应变都有影响。第二层金钉头仿真如下图所示,在倒装叠层金钉头凸点键合碰撞阶段,倒装叠层金钉头凸点应力水平较高区域主要分布于靠近上下金钉头凸点接触面的两个金钉头凸点的内部,其中较大应力集中在第二层金钉头凸点的内部,而应力最大值出现于第一层金钉头凸点与第二层金钉头凸点的键合接触面处。六、金钉头凸点技术总结与传统的引线键合技术相比,倒装芯片焊接技术键合焊区的凸点电极不仅仅沿片四周边缘分布,而是可以通过再布线实现面阵分布,因而倒装芯片焊接技术具有如下优点:(1)互连线非常短,互连产生的杂散电容,互连电阻及互连电感均比WB小得多。从而更利于高频高速电子产品的应用。(2)芯片安装互连占的基板面积小,芯片安装密度高。参考文献:
(1)孔令松 金凸点热超声倒装芯片键合质量控制研究
(2)王娇 钉头凸点_Sn基钎料接头成形及界面反应机制
(3)唐文亮 倒装叠层金钉头凸点键合成型仿真及可靠性研究