第四讲微系统封装技术-倒装焊技术

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1、第四讲：倒装芯片技术（FlipChipTechnology）优点：1.互连线很短，互连产生的电容、电阻电感比引线键合和载带自动焊小得多。从而更适合于高频高速的电子产品。2.所占基板面积小，安装密度高。可面阵布局，更适合于多I/O数的芯片使用。3.提高了散热热能力，倒装芯片没有塑封，芯片背面可进行有效的冷却。4.简化安装互连工艺，快速、省时，适合于工业化生产。缺点：1.芯片上要制作凸点，增加了工艺难度和成本。2.焊点检查困难。3.使用底部填充要求一定的固化时间。4.倒装焊同各材料间的匹配所产生的应力问题需要解决。信号效果比较历史IB

2、M1960年研制开发出在芯片上制作凸点的倒装芯片焊接工艺技术。95Pb5Sn凸点包围着电镀NiAu的铜球。后来制作PbSn凸点，使用可控塌焊连接（C4），无铜球包围。Philoc－ford等公司制作出Ag－Sn凸点Fairchield——Al凸点Amelco——Au凸点目前全世界的倒装芯片消耗量超过年60万片，且以约50％的速度增长，3％的圆片用于倒装芯片凸点。几年后可望超过20％。C4：ControlledCollapseChipConnection可控塌陷芯片连接优点：1.工艺简单，倒装焊时易于熔化回流2.熔化的焊料可以弥补凸

3、点的高度不一致或基板不平而引起的高度差3.对凸点金属所加的焊接压力小，从而不易损坏芯片和焊点4.熔化时有较大的表面张力，具有“自对准”效果。倒装芯片工艺概述主要工艺步骤：第一步:凸点底部金属化第二步：芯片凸点制作第三步：将已经凸点的晶片组装到基板上第四步：使用非导电填料填充芯片底部孔隙第一步：凸点底部金属化（UBM）第二步:回流形成凸点第三步：倒装芯片组装第四步：底部填充与固化几种倒装芯片焊接方式凸点的制作UBM凸点形成对UBM的要求必须与焊区金属以及圆片钝化层有牢固的结合力：Al是最常见的IC金属化金属，典型的钝化材料为氮化物、

4、氧化物以及聚酰亚胺。和焊区金属要有很好的欧姆接触：在沉积UBM之前要通过溅射或者化学刻蚀的方法去除焊区表面的Al氧化物。要有焊料扩散阻挡层：必须在焊料与焊盘焊区金属之间提供一个扩散阻挡层要有一个可以润湿焊料的表面：最后一层要直接与凸点接触，必须润湿凸点焊料。氧化阻挡层：为保证很好的可焊性，要防止UBM在凸点的形成过程中氧化。对硅片产生较小的应力：UBM结构不能在底部与硅片产生很大的应力，否则会导致底部的开裂以及硅片的凹陷等可靠性失效。UBM结构示意图UBM结构UBM一般由三层薄膜组成:1、粘附以及扩散阻挡层：使用的典型金属有：Cr

5、、Ti、Ti/W、Ni、Al、Cu、Pd和Mo。典型厚度：0.05-0.2mm.2焊料润湿层：典型金属:Cu、Ni、Pd。典型厚度:0.05-0.1mm。3氧化阻挡层：典型金属：Au。典型厚度：0.05-0.1mm。UBM的层次组合这些薄膜层的组合出现了很多的UBM结构，例如：Ti/Cu/Au、Ti/Cu、Ti/Cu/Ni、TiW/Cu/Au、Cr/Cu/Au、Ni/Au、Ti/Ni/Pd、以及Mo/Pd.其结构对本身的可靠性影响很大，据报道Ti/Cu/Ni(化学镀Ni)的UBM比Ti/Cu的粘附结合力要强。UBM的结构也影响它与

6、焊区金属、它与凸点之间的可靠性。层次组合特点UBM的沉积方法溅射：用溅射的方法一层一层地在硅片上沉积薄膜，然后通过光刻技术形成UBM图样，并刻蚀掉不是图样的部分。蒸镀：利用掩模，通过蒸镀的方法在硅片上一层一层地沉积。化学镀:采用化学镀的方法在Al焊盘上选择性地镀Ni。常常用锌酸盐工艺对Al表面进行处理。无需真空及图样刻蚀设备，低成本。化学镀镍化学镀镍用作UBM的沉积，金属镍起到连接/扩散阻挡的作用，同时也是焊料可以润湿的表面。镍的扩散率非常小，与焊料也几乎不发生反应，因此非常适合作为共晶焊料的UBM金属。化学镀镍既可以用于UBM金

7、属的沉积，也可以用来形成凸点。化学镀镍特点无定形化学镀镍层中没有晶界，无法形成扩散的通道，所以是一层良好的扩散阻挡层。镍UBM的厚度一般为1～15μm，而5μm厚的镍UBM就能使焊料凸点的可靠性明显提高。镀镍之后，还要在镍上镀一层厚度为0.05-0.1μm的金，它主要是防止镍发生氧化，以保持它的可焊性。铝焊盘上化学镀镍前处理由于铝焊盘表面有一层氧化物，镀层金属无法粘附在这样的表面上，因此要对铝表面进行适当的处理以清除氧化物层。最一般的方法是在铝焊盘上锌酸盐处理(zincation)，还有：镀钯活化(palladiumactivat

8、ion)、镍置换(nickeldisplacement)、直接镀镍等。锌酸盐处理(Zincation)该技术是在铝的表面沉积一层锌，以防止铝发生氧化，该技术的反应原理如下：当Al焊区金属浸入锌酸盐溶液中时，Al上的氧化层就溶解下来，它与NaOH发生