微凸点技术

作者:吴懿平 博士 华中科技大学 连接与电子封装中心 教授 / 博导

引言

摩尔定律问世至今,晶体管的特征尺寸已经减小至5 nm,并实现了商用量产。以手机芯片为例,华为手机Mate 40就搭载了台积电采用5 nm工艺代工的SoC(System on Chip)芯片——麒麟9000,已经逼近摩尔定律的物理极限。进一步减小栅极光刻宽度,将会产生隧道效应并引发漏电流问题,导致芯片逻辑错误,同时还使得芯片的研发与制造成本呈指数上升。超越摩尔定律的束缚,我们不再一味追逐光刻尺寸的进一步缩小,不再关注芯片本身的性能与功耗,而是从电子产品角度出发,在不改变半导体制程工艺节点的情况下,借助先进封装技术,将异质芯片通过并排或垂直堆叠的方式集成至同一封装体内。以晶圆级芯片封装(Wafer Level Chip Scale Packaging, WL CSP)、系统级封装(System in Package, SiP)和扇出型晶圆级封装(Fan-out wafer level package, FO WLP)技术为代表的先进封装技术,不仅能够进一步提高器件的集成度,而且还能够大幅缩短产品的研发周期,降低研发成本。通过先进封装,将芯片沿高度方向进行堆叠,大幅减小了封装尺寸,提高了封装结构的空间利用率,进而实现了封装互连密度的进一步提升。芯片垂直堆叠三维(three dimension, 3D)封装技术,不仅在封装尺寸和互连密度方面有显著优势,而且3D封装还可以缩短芯片之间的互连距离,降低了互连电阻和噪声,最终降低了芯片功耗,提升了芯片的电性能。3D封装技术的高速发展主要依赖于三个重要的技术突破(如图1):微凸点(Microbump Bonding)互连技术、晶圆减薄(Wafer Thinning)技术、硅通孔(Through Silicon Vias, TSV)技术。

与引线键合(Wire Bonding)技术相比,面分布凸点阵列的应用大幅提高了封装结构中的空间利用率,打破了焊盘只能布置在芯片四周的限制,I/O端子可布满整个芯片,使得芯片之间的互连密度得到几何级数增长。

凸点作为封装结构中的重要一环,提供了堆叠芯片及固定装配所需的机械支撑,并实现了堆叠芯片之间的电气互连。在3D电子封装结构中为了完成芯片、转接板和基板之间的垂直互连,会用到以下三种不同尺寸的凸点:最大尺寸的球栅阵列焊球(Ball-Grid-Array Solder Ball, BGA ball),其直径范围通常在0.25~0.76 mm;中等尺寸的倒装凸点(Flip-Chip Solder Bump,FC Bump),也被称为可控塌陷芯片焊点(Controlled Callapse Chip Connection solder joint, C4 solder joint),其直径范围通常在100~150 μm;而最小尺寸的微凸点(micro bump),其直径可小至2 μm。而微凸点可以通过光刻电镀的方法在整片晶圆上进行大规模制备,极大地提高了生产效率,从而实现批量封装成本的下降。为了保证高质量实现芯片之间的互连,针对不同尺寸的凸点需要选择不同的凸点结构、不同的凸点制备方法和对应的互连方式。以凸点结构为依据,可将微凸点分为以下三类:焊料凸点、铜柱凸点和键合铜凸点。本文专稿向读者介绍先进电子封装中的一种实现芯片之间互连的关键技术——微凸点技术。

几种焊料凸点的制备工艺

对于尺寸较大的BGA凸点和倒装焊凸点,焊料凸点是最为经济有效的凸点结构。常用的焊料凸点材料有共晶铅锡合金、熔点为330~350 ℃的高铅铅锡合金(95Pb/5Sn和97Pb/3Sn)以及无铅的锡基合金、铟合金等。焊料凸点的制备方法主要有:丝网印刷、蒸镀、化学镀和电镀凸点,钉头凸点、放球凸点以及焊料转移凸点等。其中丝网印刷作为最成熟的凸点制备技术,可良好地控制焊料组份以满足对焊点的性能要求,并且兼具高效、高可靠性和低成本等优点,适合大尺寸凸点的制备。

对于焊料凸点,常用的材料是Pb/Sn合金,在回流焊过程中具有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。具体材料有共晶铅锡合金凸点、熔点为330~350 ℃的高铅铅锡合金凸点(95Pb/5Sn和97Pb/3Sn)以及无铅的锡基凸点等。

蒸镀焊料凸点工艺

蒸镀焊料凸点有两种方法,一种是C4技术,整体形成焊料凸点;另一种是E3技术,在凸点顶部局部蒸镀一层锡,以便在倒装芯片与基板回流焊时局部熔化而焊合。图2为蒸镀焊料凸点的形成原理示意图。

电镀焊料凸点工艺

电镀焊料是一个成熟的工艺。采用电镀焊料凸点,需要先整体形成UBM层并用作电镀的导电层,然后再用光刻胶保护不需要电镀的地方。一旦电镀形成了厚的凸点后,再除去光刻胶并刻蚀不需要的UBM,然后经回流形成凸点阵列。图3为电镀焊料凸点的形成原理示意图。

印刷凸点工艺

焊膏印刷凸点是一种广泛应用的凸点形成方法。印刷凸点是采用模板直接将焊膏印在要形成凸点的焊盘上,然后经过回流而形成凸点。目前印刷凸点间距可达到250 μm的细间距。图4示意地表示了焊膏印刷凸点的工艺步骤。可按照不同的使用要求,选用不同的凸点材料,如95Pb/5Sn、90Pb/10Sn、63Pb/37Sn以及无铅焊料等成分。在晶圆的Al焊区上形成UBM后,就可在其上印刷焊膏然后回流。

化学镀凸点

化学镀凸点是一种利用强还原剂在化学镀液中将需要镀的金属离子还原成该金属原子沉积在镀层表面形成凸点的方法。化学镀除可利用光刻胶做掩模在硅圆片上化学镀凸点外,还可以直接在已经切割好的芯片上进行化学镀凸点,适合于小批量制作凸点,工艺灵活方便,而且凸点布局、凸点尺寸以及间距大小不受限制。一般是在化学镀UBM的基础上,直接进行化学镀Ni/Au凸点或Au凸点。

激光植球技术

激光植球是通过一个送料器将焊球源源不断地送入植球头的喷嘴处,用光导纤维将Nd:YAG激光束引入喷嘴,在惰性气体保护下将处于嘴口处的焊球快速加热到熔点以上,使熔化的焊球与晶片或者基板的焊盘等焊合,形成所要求的凸点或焊球。

如图5(a)和(b)所示,整个植球头非常精密、小巧,如同一个喷墨打印机的打印头,可以通过程序实现对特定阵列图形排列的凸点或焊球。图5(c)显示的是采用激光植球技术在硅晶片的镀镍层(UBM)上形成的两个共晶焊球凸点的SEM照片。

激光植球的质量与精度高于电沉积植球方法,在小批量情况下适用性强,成本低廉,封装效率高,对器件的损伤小。设备占地面积小,使用方便,灵活,工艺控制简单,自动化程度高。

凸点转移

将凸点用前述的方法在一个中间载体上形成相应的凸点阵列,然后将其转送到倒装芯片上去的一种植球技术。载体一般是与焊料不润湿的材料,如硅片、热阻玻璃片等。在中间载体上形成凸点的方法很多,常用蒸镀焊料凸点和印刷焊料凸点的方法。采用蒸镀法或印刷方法在载体上预制凸点,之后再辅以凸点转移工艺,则整个凸点制备工艺的灵活性将大大提高。对于印刷凸点,首先加工一块具有一系列不同开口直径的通用印刷模板,这样仅使用一块模板就可以在载体上制出各种不同直径的备用凸点阵列。然后将预制凸点转移至涂有助焊剂的芯片焊盘上,经回流后凸点与焊盘焊合,且与载体分离。

可以在载体表面先沉积大约100 nm厚度的金薄层,以增加焊料与载体的附着力,防止焊料凸点从载体上分离,同时还可增加分离焊料熔化前的润湿时间,使得它有足够的时间来润湿UBM。

图6示意给出了蒸镀方法的批量化凸点转移工艺流程。

以上介绍了各种常用的凸点形成的工艺方法。表1对这些工艺方法的特点及使用范围等进行综合比较。

铜柱凸点

为了避免桥接现象的发生,实现更高I/O密度,IBM公司于21世纪初首次提出了铜柱凸点,申请了铜柱凸点结构的相关专利。铜柱凸点的结构如图7所示,用铜柱取代了焊料凸点中的大部分焊料,其顶部镀有少量焊料。在焊料互连过程中,铜柱凸点能够保持一定的高度,既可以防止焊料的桥接现象发生,又可以掌控堆叠层芯片的间距高度,可实现15~80 μm节距的铜凸点焊料互连。

铜柱凸点的高径比不再受到阵列间距的限制,在相同的凸点间距下,可以提供更大的支撑高度,大大改善了底部填充胶(underfill)的流动性。

由于丝网制作工艺精度的限制,当模版开孔尺寸缩小至50 μm时,印刷将会变得异常困难,因而丝网印刷并不适用于铜柱凸点的制备。相比而言,借助光刻掩膜技术的电镀法则具有更高的制备精度,可实现凸点在晶圆上的直接制备,适合铜柱凸点的制备。图8所示为一种高共面性铜柱凸点阵列电镀方法流程图。

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