倒装芯片凸块制备工艺

半导体工艺与设备 2024-09-02 08:23

摘要

倒装芯片是先进封装中的主流技术之一，而凸块制备工艺又是倒装芯片关键技术之一，随着消费类电子产品朝着轻薄短小的趋势发展、芯片集成度越来越高、引脚数越来越密集，凸块制备工艺也在随之发展。凸块制备工艺包括UBM、蒸发、C4NP、模板印刷和电镀工艺。随着芯片尺寸的减小，焊球凸块逐步向铜柱凸块发展。同时还要应对细间距铜柱带来的共面性问题、应力问题和金属间化合物生长等可靠性问题。

随着电子封装技术的发展，成本低、响应快和尺寸小的器件需求越来越大，包含倒装芯片（Flip Chip）技术的先进封装技术应运而生。在上个世纪六十年代，美国IBM 公司基于可控塌陷芯片连接（Controlled Collapse Chip Connection，C4）技术开发倒装焊技术并投入应用。

与传统的互联方式不同的是，倒装芯片技术是在芯片的有源面形成焊料凸块，然后将此面翻转朝下，使凸块与基板上相对应的电极焊点互联。用凸点代替引线键合，电路最短，可有效降低电感、电阻和寄生电容，减小信号延迟和相互干扰，提升芯片性能。这种方式既能缩小封装尺寸，又能增加引脚数量，实现高密度封装，同时又具有良好的散热性和可靠性。晶圆级凸点制备工艺可以有效降低生产成本，面对电子产品向轻、薄、短、小而功能多样方向发展的趋势，有着广阔的运用前景。近年来，倒装芯片已经应用在三维封装、堆叠封装等高性能封装互联，并得到广泛研究和快速发展。而消费电子越来越追求高性能和轻薄化，封装尺寸随之在不断减小，封装密度在不断增大，因此凸块间距一直在缩小，已经由500 μm逐渐向300 μm、150 μm、100 μm、30 μm及以下的尺寸缩小[1]，凸块制备也由焊球凸块向细间距铜柱工艺转变。

但同时由于凸块间距的不断缩小，带来了底部填充、互联键合、翘曲、对齐、电迁移等一系列挑战。

本文主要回顾了倒装芯片凸块制造工艺发展，包括UBM（Under Bump Metallization，凸点底部金属化）、蒸发、C4NP（C4新工艺）、模板印刷和电镀工艺，以及技术的适用性和优缺点。同时简要介绍了由于细间距和超细间距发展带来的部分挑战、可靠性问题以及解决方式。

1 凸块制备工艺

如图1所示，倒装芯片凸块结构一般有焊料球和铜柱两种。焊料球结构包括金属焊盘、UBM和球形焊料合金。与焊料球不同的是，铜柱凸块下金属层连接的是数十微米高的铜柱，然后在铜柱上沉积焊料帽。

常用的焊球凸块制备工艺有蒸发法、模板印刷法、电镀法、微球法等多种方法。但主要还是以蒸发、模板印刷和电镀这三种工艺为主，尤其是近年来，印刷法和电镀法的应用尤其广泛。

1.1 UBM

UBM处于凸块和焊盘中间，属于过渡层，起到黏附、阻挡和润湿的作用，采用蒸发、溅射或者电镀的工艺沉积。黏附层要求与Al焊盘有很好的黏附性、接触电阻小、热膨胀系数近似、与钝化层有良好的结合，一般选择Cr、Ti、Ti-W、V等。扩散阻挡层要求能够阻挡焊料金属和焊盘相互扩散形成金属间化合物，材料有Ti、Ni、Ti-W、Cu等。润湿层要求与焊料有良好的浸润性，可焊性好同时不会形成金属间化合物，还能保护下层金属不被氧化和污染。常用的材料有Au和Cu。

1.2 蒸发工艺

最初IBM的倒装芯片凸块技术涉及种子层和 PbSn焊料的蒸发工艺，主要应用于C4技术。蒸发过程包括通过金属掩膜选择性沉积UBM和焊料。如图 2所示，首先是清洗步骤，用氩离子清洗金属焊盘和钝化层的表面氧化物和其他残留物；然后沉积由 Cr、Cr-Cu、Cu和Au组成的下金属层，以此起到导电、阻挡焊料扩散、润湿和黏附的作用；接着蒸发含铅焊料，一般是高熔点（315 ℃）的95Pb5Sn和 97Pb3Sn；最后是在约350 ℃的氢气炉中回流形成球形焊料。焊料的蒸发量，掩膜版的厚度和开口尺寸决定最终的凸块高度。

蒸发工艺可以生产高可靠性的凸块。由于蒸气压低、共晶铅/锡焊料无法蒸发，因此这种工艺只适用于高铅焊料，但随着环保要求的提高，含Pb焊料被逐步禁止使用，同时倒装芯片对低温焊料的需求在增加，蒸发凸块技术的局限性日益明显。此外，昂贵的蒸发器、金属掩膜的低寿命和蒸发料的废物处理使这项技术的成本居高不下。蒸发过程中，焊料95%以上沉积在蒸发器内壁和金属掩膜上，利用率低于5%，而且清理成本较高。

1.3 C4NP工艺

为了满足焊料无铅化和倒装芯片低成本细间距的要求， IBM公司于2004年开发了另外一种新型凸点制备工艺，即C4NP，成功应用于300 mm晶圆无铅倒装芯片凸块的大批量生产。工艺过程如图3所示，首先需要制备出重复利用的玻璃模具，模具有圆形凹槽，位置与金属焊盘镜像对应，凹槽形状和大小决定了凸块的尺寸。将融化的焊料注入模具凹槽中并迅速凝固，检查所有凹槽均已被填充，同时制备好带有相应UBM层的基板或者晶圆焊盘；然后把焊盘翻转和玻璃模具对准，加热到回流焊温度以上，凹槽中的凸点融化后转移到焊盘上。整个过程需要在氮气氛围中进行，防止氧化的发生。

C4NP技术具有多项优点，玻璃模具可以重复利用，节约生产成本，适用于晶圆级凸块制备。对焊料合金组分要求低，适用于多种焊料包括多组分无铅焊料，甚至可以对焊料进行掺杂以减少锡晶须、改善电迁移性能。可以扩展到精细凸块间距和尺寸，50 μm间距已经得到验证。但该技术依赖于检测技术，而且对玻璃模具的要求较高，其热膨胀系数 (Coefficient of Thermal Expansion, CTE) 需要与硅晶圆的热膨胀系数匹配。

1.4 模板印刷工艺

焊膏模板印刷工艺也是较早用于凸块制造的技术之一。首先在芯片的金属焊盘上制备UBM层，按照设计的参数放置。如图4所示，焊膏被涂覆在模板上，在刮刀的压力下随着刮刀向前滚动，填充到模板孔洞中；分离模板后，焊膏会孔黏附在UBM；最后通过回流工艺形成焊料凸点。

模板材料、加工技术和焊膏技术以及印刷参数决定凸点质量的好坏。模板一般通过激光加工、化学刻蚀或者电铸技术在焊盘位置形成孔。化学刻蚀技术成本低但孔内壁多孔且粗糙，影响浆料用量。由于孔径过大呈锥形，使用化学刻蚀钢网印刷的最小间距约为300 μm。激光切割是微电子封装行业最常用的技术，可以实现模板更光滑精细的内部孔隙侧壁。电铸工艺也是高质量、细间距模板制造的选择，可以实现160 μm间距印刷。

焊膏由焊球颗粒、助焊剂、溶剂和触变剂等组成。助焊剂可去除待焊表面的氧化物，隔绝空气，从而防止进一步氧化，并改善液态焊料的润湿特性。黏合剂和溶剂的作用是将焊粉均匀地分散到焊膏中，在印刷过程中保持焊膏的一致性，清洁待焊表面，并在回流过程中固定倒装芯片器件。焊球颗粒由焊料合金制成，常用的是多组分无铅焊料。颗粒的形状和粒度直接影响印刷效果，印刷间距越细，要求焊球颗粒的平均粒度越小。除了焊膏，印刷导电胶也是一种选择，可以实现100 μm以下间距的印刷。同样的，好的印刷也离不开印刷工艺的优化，尤其是刮刀速度、刮刀压力、钢网基板分离速度和印刷方向等关键参数。

为了实现细间距印刷工艺，研究人员一直在不懈努力。通过优化焊膏成分、模板加工技术和印刷工艺，早些年已经实现100 μm间距的凸点印刷。Baumgartner T等人用光阻模板代替传统的金属模板实现100 μm以下间距均匀凸点工艺。近些年，Son Jihye等用一种新型无掩膜印刷方法开发了大容量焊盘焊料（HV-SoP）技术，该技术用由树脂和焊料粉末组成的特殊材料，在没有掩模的情况下轻松制造均匀凸点，但工艺较为复杂。目前，印刷工艺参数的优化由原来的实验进入到结合建立数学模型研究的阶段。

模板印刷技术工艺成熟，效率高，成本低，产能大，可沉积多种焊料，包括无铅焊料和低温回流焊料，适用于大规模生产。但焊膏在形成凸块过程中，挥发性的有机溶剂会造成凸块内部空隙，大的空隙会造成可靠性问题。焊膏在模板上的残留也会影响凸块高度的一致性。印刷过程网孔堵塞也会造成焊膏缺失。无法精细制造的模板限制了凸块的尺寸和间距，难以满足100 μm以下的间距要求。这些都限制了印刷工艺的适用性和可扩展性，只能用于低端产品。

1.5 电镀工艺

1.5.1 焊球凸块电镀工艺

电镀技术是比较流行且应用广泛的技术，尤其适用于细间距凸块的制备。如图5所示，整个过程包括钝化、溅射UBM、涂厚光刻胶、曝光显影、电镀、去胶、刻蚀和回流。在晶圆表面制备钝化层，通过清洗去除表面氧化物和污染物，再溅射沉积Ti或者TiW层作为阻挡层。阻挡层阻止铝焊盘和导电金属层（一般是Cu或者其他金属）的相互扩散，同时还能与Al、Si或者玻璃形成良好黏附。在阻挡层上沉积 Cu（或者其他金属）作为种子层，形成良好的导电性能，以此形成UBM。接着旋涂光刻胶，根据凸块的形状尺寸确定光刻胶的厚度。经过前烘、曝光、显影、后烘过程形成需要的图形。然后在UBM上镀上一层Cu，接着电镀焊料。电镀的方法是以晶片为阴极，通过电镀槽施加静态或脉冲电流。为了电镀出足够的焊料以达到目标，焊料要在光刻胶表面上电镀约15 μm，以形成蘑菇状。然后剥离光刻胶，刻蚀凸块间的UBM。在刻蚀过程中，要注意刻蚀不完全的问题，还要减少对焊料的侵蚀，避免焊料体积的损失。刻蚀主要分为湿法刻蚀和干法刻蚀。湿法刻蚀具有各项同性的特性，长时间刻蚀有侵蚀凸块的风险。干法刻蚀一般采用离子束，具有各向异性。最后是焊料回流，在惰性气体氛围中蘑菇状焊料因为表面张形成球状。

1.5.2 铜柱凸块电镀工艺

电镀技术是一种选择性强、效率高的大晶圆应用工艺，应用广泛，可扩展到细间距和300 mm大晶圆应用，实现高可靠性高产量的需求。虽然工艺复杂、合金灵活性低，但仍有较大优势，早已成为凸块制造首选工艺。焊球凸块能够满足较高引脚密度的封装，而且导电性能好，由于表面张力的作用，可以帮助焊料与金属层的对准。但当50 μm以下间距焊点出现后，焊球凸块会出现桥接问题，形成短路。为满足细间距及超细间距的要求，铜柱凸块成为主流技术之一，可以实现直径10~50 μm，间距 5~100 μm的工艺。如图6所示，铜柱凸块工艺和焊球凸块工艺基本相同，只是用电镀厚铜取代了电镀焊料，最后形成细高的铜柱。如果带有焊帽，还需要在铜柱上镀一层薄的焊料帽并进行回流。

1.6 小结

表1对以上各个工艺进行了汇总对比。蒸发工艺适用于含铅焊料，已经不符合当前发展趋势。C4NP 工艺由于主要依赖于检测技术，对玻璃模具要求高，有一定的局限性。模板印刷工艺效率高，焊料选择灵活，工艺简单，但不适用细间距。电镀工艺应用范围最广，可以从大间距到细间距、超细间距的应用，是目前主流工艺之一。

2 铜柱凸块面临的挑战

基于铜柱凸块优异的性能，一直以来备受关注，成为先进封装中的关键技术之一。随着低成本厚光刻胶技术的出现，高性能产品的凸块技术迅速由焊球转向铜柱工艺。与焊球相比，除了能满足细间距封装外，铜柱凸块还有很多优点，比如有较好的高度一致性、更低的电阻率（0.017 2 μΩ·m）、更好的导热性（400 W/m·K）、更高的抗电迁移性能和机械性能。但应力问题、翘曲问题和对位问题仍是需要面对和解决的技术难点。

优化铜柱凸块封装的可靠性和成品率，克服由于电镀参数不稳定导致的共面性问题是解决思路之一。一方面是工艺控制，Huang J T等用类似于CMP 的抛光机来减少电镀不均匀的高度偏差，通过优化抛光参数，整体共面性由7.5%降至3.0%，回流焊后，达到1.0%。另一方面是尺寸设计，Liu W W等结合仿真模型，设计凸块形状和尺寸。为了降低铜柱凸块在低K电介层上因为应力造成的可靠性问题，带有聚合物的凸块被Jung B Y等人提了出来。这种铜柱带有聚合物内芯或者被聚合物包裹，可有效降低铜柱在低K电介层上的应力，提升焊点在热循环测试 (Thermal Cycle, TC)下的寿命。目前，Qiu X等用印刷的方法制备出直径20 μm、高30 μm的聚合物内芯，内芯表面金属化后，最后制备出直径35 μm、高35 μm的铜柱凸块。虽然这种铜柱凸块的电阻是纯铜柱的2倍，但在可靠性测试中表现出明显的优势。同时，Fu L等把有限元分析法应用到UBM尺寸和铜柱尺寸及间距的设计优化上，铜柱凸块的设计应根据有限元分析研究的指示和装配工艺窗口的考虑因素来确定，以降低可靠性风险。铜柱凸块焊帽与铜形成的Sn-Cu金属间化合物也是威胁其焊点可靠性的因素之一，因此Yang C等在焊帽和铜柱间加入Ni阻挡层，可延缓IMC的生长速度。Yang C等提出另外一种方法，是通过热氧化在铜柱侧壁上形成一层氧化铜以此抑制Sn-Cu IMC的生长。

3 总结与展望

自倒装芯片发明以来，受到了极大的关注，获得了迅速的发展，其凸块技术已发展出蒸发、 C4NP、印刷、电镀等工艺。为了适应消费电子轻、薄、短、小的发展趋势，凸块间距和尺寸也已经由焊球过渡到铜柱工艺。最初的蒸发工艺仅限于含铅焊料，但由于对环境问题的日益重视，含铅焊料已经被禁止使用。C4NP技术是一种凸块转移技术，焊料选择比较灵活，模板可重复利用，但主要依赖于检测技术，有一定的局限性。印刷技术是焊球凸块的主流工艺之一，生产效率高，工艺成熟，仅限于100 μm以上间距的应用，而且存在印刷空洞等问题，适用于低端产品。以上工艺都无法扩展到细间距的应用，而电镀工艺既可以用于焊球凸块，又可以应用于铜柱凸块，可以扩展到超细间距，更大晶圆等应用领域。这些优势是电镀技术成为倒装芯片凸块制备的首先工艺。

随着芯片封装集成度越来越高，凸块间距越来越细，凸点直径朝着30 μm以下发展，一些问题和挑战也越发明显。一系列可靠性问题等着去优化和解决，需要研发人员和工程师不断进行技术革新，以满足日新月异的技术发展要求。

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