倒装芯片技术

1、华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 1电子制造技术基础电子制造技术基础吴丰顺 博士/教授武汉光电国家实验室光电材料与微纳制造部华中科技大学材料学院华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 2 倒装芯片倒装芯片(Flip Chip)技术技术 华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 3第一部分第一部分华中科技大学材料学院连接

2、与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 4倒装芯片示意图倒装芯片示意图在典型的倒装芯片封装中, 芯片通过3到5个密耳(mil)厚的焊料凸点连接到芯片载体上，底部填充材料用来保护焊料凸点.华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 5什么是倒装芯片？什么是倒装芯片？倒装芯片组装就是通过芯片上的凸点直接将元器件朝下互连到基板、载体或者电路板上。而导线键合是将芯片的面朝上。 倒装芯片元件是主要用于半导体设备；而有些元件，如无源滤波器，探测天线，存

3、储器装备也开始使用倒装芯片技术，由于芯片直接通过凸点直接连接基板和载体上，因此，更确切的说，倒装芯片也叫DCA （ Direct Chip Attach ）。华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 6三种晶片级互连方法三种晶片级互连方法华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 7倒装芯片历史倒装芯片历史1.IBM1960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。

4、后来制作PbSn凸点，使用可控塌焊连接（Controlled collapse Component Connection, C4），无铜球包围。2.Philocford等公司制作出AgSn凸点3.FairchieldAl凸点4.AmelcoAu凸点5.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。华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 8为什么使用倒装芯片为什么使用倒装芯片?倒装芯片技术的兴起是由于与其他的技术相比，在尺寸、外观、柔性、可靠

5、性、以及成本等方面有很大的优势。今天倒装芯片广泛用于电子表，手机，便携机 ，磁盘、耳机，LCD以及大型机等各种电子产品上。华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 9优点优点01 小尺寸小尺寸: : 小的IC引脚图形 (只有扁平封装的5）减小了高度和重量。 功能增强功能增强: : 使用倒装芯片能增加I/O 的数量。I/O 不像导线键合中出于四周而收到数量的限制。面阵列使得在更小的空间里进行更多信号、功率以及电源等地互连。一般的倒装芯片焊盘可达400个。 华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材

6、料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 10优点优点02 性能增加性能增加: : 短的互连减小了电感、电阻以及电容，保证了信号延迟减少、较好的高频率、以及从晶片背面较好的热通道。 提高了可靠性提高了可靠性: : 大芯片的环氧填充确保了高可靠性。 倒装芯片可减少三分之二的互连引脚数。 提高了散热热能力：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。 低成本：低成本：批量的凸点降低了成本。华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 11I/O 数比较数比较

7、倒装芯片与扁平封装的引脚数比较华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 12信号效果比较信号效果比较华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 13缺点缺点01 裸芯片很难测试 凸点芯片适应性有限 随着间距地减小和引脚数的增多导致PCB技术面临挑战 必须使用X射线检测设备检测不可见的焊点 和SMT工艺相容性较差华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu

8、 Fengshun, 14缺点缺点02 操作夹持裸晶片比较困难 要求很高的组装精度 目前使用底部填充要求一定的固化时间 有些基板可靠性较低 维修很困难或者不可能华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 15倒装芯片工艺概述倒装芯片工艺概述 主要工艺步骤：主要工艺步骤：第一步： 凸点底部金属化 (UBM)第二步：芯片凸点第三步：将已经凸点的晶片组装到基板板卡上第四步：使用非导电材料填充芯片底部孔隙华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu

9、Fengshun, 16第一步：凸点下金属化第一步：凸点下金属化（UBM，under bump metallization）华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 17第二步第二步: 回流形成凸点回流形成凸点华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 18第三步：倒装芯片组装第三步：倒装芯片组装 华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengs

10、hun, 19第四步：底部填充与固化第四步：底部填充与固化 华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 20不同的倒装芯片焊点不同的倒装芯片焊点 华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 21底部填充与否底部填充与否有各种不同的倒装芯片互连工艺，但是其结构基本特点都是芯片面朝下，而连接则使用金属凸点。而最终差别就是使用底部填充与否。华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6

11、-27Prof. Wu Fengshun, 22不同的倒装芯片连接方法不同的倒装芯片连接方法1. 1. 焊料焊接焊料焊接2.2.热压焊接热压焊接3. 3. 热声焊接热声焊接4. 4. 粘胶连接粘胶连接华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 23Coffin-Manson 低周疲劳模型低周疲劳模型华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 24由此模型可知：由此模型可知： 更高的焊点高度 更小的晶片 器件与基板的热膨胀

12、系数（Coefficient of Thermal Expansion, CTE）相配 小的工作温度变化范围要提高可靠性必须要求：华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 25倒装芯片工艺：通过焊料焊接倒装芯片工艺：通过焊料焊接01焊料沉积在基板焊盘上：焊料沉积在基板焊盘上：对于细间距连接，焊料通过电镀、焊料溅射或者固体焊料等沉积方法。 很粘的焊剂可通过直接涂覆到基板上或者用芯片凸点浸入的方法来保证粘附。 对于加大的间距（0.4 mm ），可用模板印刷焊膏。华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大

13、学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 26回流焊接：回流焊接：芯片凸点放置于沉积了焊膏或者焊剂的焊盘上，整个基板浸入再流焊炉。清洗清洗 ：焊剂残留。测试：测试：由于固化后不能维修，所以在填充前要进行测试。底部填充：底部填充： 通过挤压将低粘度的环氧类物质填充到芯片底部，然后加热固化。倒装芯片工艺：通过焊料焊接倒装芯片工艺：通过焊料焊接 02华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 27步步骤骤示示意意图图华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学

14、院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 28底部填充示意图底部填充示意图 华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 29倒装芯片工艺通过热压焊接倒装芯片工艺通过热压焊接在热压连接工艺中，芯片的凸点是通过加热、加压的方法连接到基板的焊盘上。该工艺要求芯片或者基板上的凸点为金凸点，同时还要有一个可与凸点连接的表面，如金或铝。对于金凸点，一般连接温度在300 C 左右，这样才能是材料充分软化，同时促进连接过程中的扩散作用。华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料

15、学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 30热压和热声倒装芯片连接原理示意图热压与热声倒装芯片示意图热压与热声倒装芯片示意图华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 31基板金属化基板金属化基板上的焊盘必须进行适当地金属化，例如镀金，以便于实现连接。另外，基板应该非常平整。华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 32凸点凸点热压倒装芯片连接最合适的凸点材料是金，凸点可以通过传统

16、的电解镀金方法生成，或者采用钉头凸点方法，后者就是引线键合技术中常用的凸点形成工艺。由于可以采用现成的引线键合设备，因此无需配备昂贵的凸点加工设备，金引线中应该加入1% 的Pd ，这样便于卡断凸点上部的引线。凸点形成过程中，晶圆或者基板应该预热到150 200 C。华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 33钉头金凸点钉头金凸点SBB（Stud Bond Bump）华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 34钉头

17、金凸点制作钉头金凸点制作Gold wireGold ballCoining (level)Wire breakingBall bondingGold studGold stud bump华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 35Coining (level)Flat tail bumpRaised cross bumpCrossed slots bumpVariationStacked bump钉头金凸点制作钉头金凸点制作华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心20

18、22-6-27Prof. Wu Fengshun, 36若干问题若干问题在某些情况下，如显示器中的玻璃上芯片(chip-on-glass，COG)，采用焊接连接并不是最合适的选择，而应该考虑采用其它替代方法。大多数不采用焊接的倒装芯片技术中，芯片是采用导电胶或者热压、热声的方法连接到基板上的。这些方法的优点是： 简单，无需使用焊剂 工艺温度低 可以实现细间距连接华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 37若干问题若干问题对于直径为80mm的凸点， 热压压力可以达到1N。由于压力较大，温度也较高，这种工艺

19、仅适用于刚性基底，如氧化铝或硅。另外，基板必须保证较高的平整度，热压头也要有较高的平行对准精度。为了避免半导体材料受到不必要的损害，施加压力时应该有一定的梯度。华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 38与一般的焊点连接一样，热压倒装芯片连接的可靠性也要受到基板与芯片的热膨胀系数(CTE)失配的影响，此外焊点的高度、焊点之间的最大间距亦会对可靠性造成影响。连接区的裂纹多是在从连接温度冷却下来的过程中产生的。可靠性可靠性华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-

20、6-27Prof. Wu Fengshun, 39由于金的熔点温度高，因此它对疲劳损伤的敏感程度远小于焊料。因此，如果在热循环中应力没有超过凸点与焊盘之间的连接强度，那么可靠性不会存在太大问题。 芯片与基底之间的底部填充材料使连接抵抗热疲劳的性能显著提高，如果没有底部填充，则热疲劳将是倒装芯片主要的可靠性问题。可靠性可靠性华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 40倒装芯片的连接头应该能够产生300C 的连接温度， 要有较高的平行对准精度，为了防止半导体材料发生损伤，施加压力时应该保持一定的梯度。在热压

21、倒装芯片连接中，凸点发生变形是不可避免的，这也是形成良好连接所必需的。另外，连接压力和温度应该尽可能低，以免芯片和基板损坏。生产问题生产问题华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 41GaAs器件的热压倒装芯片连接工艺参数曲线工艺参数曲线工艺参数曲线华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 42倒装芯片工艺倒装芯片工艺通过热声焊接通过热声焊接 热声倒装芯片连接是将超声波应用在热压连接中，这样可以使得焊接过程更加快速

22、。超声能量是通过一个可伸缩的探头从芯片的背部施加到连接区。超声波的引入使连接材料迅速软化，易于实现塑性变形。热声连接的优点是可以降低连接温度，缩短加工处理的时间。热声倒装芯片连接的缺点是可能在硅片上形成小的凹坑，这主要是由于超声震动过强造成的。华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 43 可靠性可靠性与一般的焊点连接一样，热压倒装芯片连接的可靠性也要受到基板与芯片的热膨胀系数(CTE)失配的影响，此外焊点的高度、焊点之间的最大间距亦会对可靠性造成影响。连接区的裂纹多是在从连接温度冷却下来的过程中产生的。

23、 由于金的熔点温度高，因此它对疲劳损伤的敏感程度远小于焊料。因此，如果在热循环中应力没有超过凸点与焊盘之间的连接强度，那么可靠性不会存在太大问题。 芯片与基底之间的底部填充材料使连接抵抗热疲劳的性能显著提高，如果没有底部填充，则热疲劳将是倒装芯片主要的可靠性问题。华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 44 生产问题生产问题 热声倒装芯片连接发展迅猛，但是它却是一个高风险的选择。该工艺需要将压力、温度、超声震动、平整性等综合起来考虑，因此整个系统的设计非常复杂。华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中

24、科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 45热声倒装芯片连接的优点热声倒装芯片连接的优点 工艺简单 扩大了连接材料的选择范围 降低加工温度、减小压力、缩短时间 华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 46倒装芯片工艺倒装芯片工艺通过粘胶连接通过粘胶连接导电胶连接是取代铅锡焊料连接的可行方法，导电胶连接既保持了封装结构的轻薄，成本也没有显著增加。该工艺的优点是： 工艺简单 固化温度低 连接后无需清洗华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院

25、连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 47各向异性导电胶各向异性导电胶是膏状或者薄膜状的热塑性环氧树脂，加入了一定含量的金属颗粒或金属涂覆的高分子颗粒。在连接前，导电胶在各个方向上都是绝缘的，但是在连接后它在垂直方向上导电。金属颗粒或高分子颗粒外的金属涂层一般为金或者镍。各向同性导电胶各向同性导电胶是一种膏状的高分子树脂，加入了一定含量的导电颗粒，因此在各个方向上都可以导电。通常高分子树脂为环氧树脂，导电颗粒为银。各向同性、各向异性导电胶各向同性、各向异性导电胶华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Pr

26、of. Wu Fengshun, 48 倒装芯片导电胶连接示意图倒装芯片导电胶连接示意图华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 49倒装芯片的非导电胶粘接也是可行的，但是到目前为止，这种胶水中的颗粒种类非常有限。从理论上说，非导电胶粘接的可靠性非常高，因为它使连接表面积减小到最低限度，但实际上它的可靠性并不高，而且对某些工艺条件的要求比导电胶连接更加苛刻。比较比较华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 50采用导

27、电胶连接的倒装技术要求在焊盘上形成导电凸点，最适宜的凸点材料为金。各向同性导电胶本身也可以作为凸点材料，此时应避免使铝表面的金属化层接触到粘性凸点，因为铝很容易氧化，最终将形成不导电的连接。凸点凸点华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 51各向同性导电胶形成的凸点的SEM照片凸点形貌凸点形貌华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 52 与铅锡焊料相比，导电胶(无论是各向同性还是各向异性)都是热的不良导体，但是采

28、用导电胶并不会使元件的热阻增加多少，因为元件内产生的热量仅有少量通过倒装芯片的连接接点传递，主要是受芯片尺寸和基板材料的影响。加热加热华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 53 总体上说，导电胶的导电性能也比铅锡焊料差，各向同性导电胶倒装芯片连接点的电阻为几毫欧，而电感、电容的数值则没有文献报道过。信号传输信号传输华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 54钉头凸点导电胶连接技术钉头凸点导电胶连接技术华中科技大

29、学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 55倒装芯片失效原因倒装芯片失效原因鱼骨图鱼骨图华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 56第二部分第二部分凸点及其制作凸点及其制作华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 57凸点的制作凸点的制作华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Pr

30、of. Wu Fengshun, 58对对UBM的要求的要求01 必须与焊区金属以及圆片钝化层有牢固的结合力：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、氧化物以及聚酰亚胺 。确保钝化层没有针孔是很重要的， 否则就会在UBM的过程中产生破坏IC的隐患. 和焊区金属要有很好的欧姆接触：和焊区金属要有很好的欧姆接触：所以在沉积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。华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 59对对 UBM的要求的

31、要求02 要有焊料扩散阻挡层：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：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。华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 60 氧化阻挡层氧化阻挡层：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：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。对对 UBM的要求的要求03华中科技大学材料学

32、院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 61UBM 结构示意图结构示意图华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 62UBM 结构结构01UBM 一般由三层薄膜组成 :1 1、粘附以及扩散阻挡层：、粘附以及扩散阻挡层：使用的典型金属有：Cr 、Ti、 Ti/W 、Ni、Al、Cu、 Pd 和Mo。典型厚度：0.15-0.2 mm.华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof.

33、 Wu Fengshun, 63UBM结构结构022 2 焊料润湿层：焊料润湿层：典型金属: Cu、Ni、 Pd。典型厚度:1-5 mm。3 3 氧化阻挡层：氧化阻挡层：典型金属：Au。典型厚度：0.05-0.1 mm。华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 64UBM的层次组合的层次组合01 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

34、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的结构也影响它与焊区金属、它与凸点之间的可靠性。华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 65UBM 的层次组合的层次组合02 为了保证可靠的互连，UBM必须与用于凸点的焊料合金相容。适合高铅的UBM不一定适合高锡焊料。例如Cu润湿层合适于含锡35的高铅焊料，但是不适合于高锡焊料，因为 Cu与Sn反应迅速而生成Sn-Cu金属间化合物。如果Cu被消耗完毕，焊料将与焊区不润湿。华中科技大学材料学院连接与电子封装中

35、心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 66层次组合特点层次组合特点 华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 67UBM的沉积方法的沉积方法 溅射：溅射：用溅射的方法一层一层地在硅片上沉积薄膜，然后通过照相平版技术形成UBM图样，然后刻蚀掉不是图样的部分。 蒸镀：蒸镀： 利用掩模，通过蒸镀的方法在硅片上一层一层地沉积。. 这种选择性的沉积用的掩模可用于对应的凸点的形成之中。 化学镀化学镀: :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

36、工艺对Al表面进行处理。无需真空及图样刻蚀设备，低成本。华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 68常见的常见的UBM方法方法华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 69化学镀镍化学镀镍 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，它仅与锡有缓慢的反应，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金属的沉积，也可

37、以用来形成凸点。华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 70化学镀镍特点化学镀镍特点01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1-15 mm ， 而5 mm厚的镍UBM就能使焊料凸点的可靠性明显提高。华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 71化学镀镍特点化学镀镍特点02镀镍之后，还要在镍上镀一层厚度为0.05-0.1 mm 的金，它主要是防止镍发生氧化，

38、以保持它的可焊性。采用化学镀镍的方法形成凸点时，通常镍凸点要与导电胶（各向同性或者各向异性均可）一起使用。华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 72铝焊盘上化学镀镍前处理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(zincationzincation) ，还有：镀钯活化 (palladium activationpalladium activation) 、镍置换(nickel nic

39、kel displacementdisplacement) 、直接镀镍等。华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 73锌酸盐处理锌酸盐处理(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：华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 74锌酸盐处理步骤锌酸盐处理步骤 清洗：清理铝表面的轻度污染，通常采用碱性清洗剂。 腐蚀：清除铝表面的微小氧化物颗粒，一般采用稀释的酸性腐蚀液，

40、如硫酸、硝酸、硝酸氢氟酸混合液等。 镀锌：将铝浸入锌槽中，该槽内盛有强碱性溶液，成份包括：Zn(OH)2, NaOH, Fe, Cu, Ni等，最终锌便在铝表面形成。华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 75为了使随后的镀镍层光洁而均匀，锌层应该薄而均匀。第一轮镀锡往往形成一层粗糙的锌层，其颗粒尺寸从3-4 mm到小于1 mm不等，这样的表面使随后的镀镍层也非常粗糙。第一轮镀锌第一轮镀锌华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fe

41、ngshun, 76第一轮粗糙的表面第一轮粗糙的表面华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 77导致不均匀、粗糙的镀镍结果导致不均匀、粗糙的镀镍结果华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 78第二轮镀锌第二轮镀锌上述问题可以通过二次镀锌来解决，在该过程中，前次形成的锌层被稀释的硝酸腐蚀掉，然后再进行第二轮镀锌，这样的处理就能使镀锌层薄而均匀。下面是再次镀锌的Al焊盘：华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技

42、大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 79镀锌工艺的一个缺点就是铝也会被镀液腐蚀掉，二次镀锌工艺中尤其严重， 0.3-0.4 mm 厚的铝将被腐蚀掉。因此，在该工艺中，铝的厚度至少应该大于1 mm 。在镀锌过程中，锌沉积在铝表面，而同时铝及氧化铝层则被腐蚀掉。锌保护铝不再发生氧化，锌层的厚度很薄，而且取决于镀液的成份、浴槽的状况、温度、时间、铝的合金状态等因素。锌酸盐处理步骤锌酸盐处理步骤华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 80 镀镍：镀锌之后，铝被浸

43、入镀液中进行化学镀镍，这种镀液为硫酸镍的酸性溶液，成份还包括次磷酸钠或者氢化硼作为还原剂，反应原理见下式：镀镍镀镍镀镍之前，晶圆的背面必须覆上阻挡层。镍能够在硅的表面生长，则那些未经钝化的硅表面也会有镍形成，但是这种连接非常不牢固，很容易脱落，从而在细间距电路中引起短路。华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 81其它铝焊盘处理技术其它铝焊盘处理技术01钯活化工艺：钯活化工艺：该工艺是在铝上镀一层钯。首先，铝经过清洗和腐蚀去除表面氧化物，该过程与镀锡工艺中的一样。然后，铝被浸入钯溶液中，钯有选择地沉积在

44、铝表面。之后，铝再被浸入化学镀镍的溶液中进行化学镀。华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 82其它铝焊盘处理技术其它铝焊盘处理技术02镍置换工艺：镍置换工艺： 镍置换工艺是指用置换镀槽中的镍离子置换铝，从而实现对铝表面的预处理。该工艺首先也是要对铝表面进行清洗和腐蚀，然后将铝浸入置换镀槽中，之后再浸入化学镀槽中镀镍。华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 83其它铝焊盘处理技术其它铝焊盘处理技术03直接镀镍工艺

45、：直接镀镍工艺： 在该工艺中，采用活性剂来清除经过清洗和腐蚀的铝的表面氧化物，之后立即将铝直接浸入镀槽中镀镍。华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 84凸点技术凸点技术01 凸点常用的材料是Pb/Sn合金，因为其回流焊特性如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。 95Pb/5Sn或者 97Pb/3Sn的回流焊温度较高：330-350C。 华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof.

46、Wu Fengshun, 85凸点技术凸点技术02 根据芯片的其它部分、有机基板等的工作温度要求，开发出了高锡焊料，如 37Pb/63Sn的回流温度为200C 左右. 华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 86焊料凸点方法焊料凸点方法将简介讨论7中常见的凸点形成办法: 蒸镀焊料凸点蒸镀焊料凸点, , 电镀焊料凸点电镀焊料凸点, , 印刷焊料凸点印刷焊料凸点, , 钉头焊料凸点钉头焊料凸点 放球凸点放球凸点 焊料转移凸焊料转移凸华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心

47、2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 871、蒸镀凸点、蒸镀凸点华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 88蒸镀凸点步骤示意图蒸镀凸点步骤示意图华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 89步骤步骤011 1、现场对硅片溅射清洗（、现场对硅片溅射清洗（a a）：）：在沉积金属前去除氧化物或者照相掩模。同时使得硅片钝化层以及焊盘表面粗糙以提高对UBM的结合力。2 2、金属掩模：、金属掩模：常常用带图

48、样的钼金属掩模来覆盖硅片以利于UBM以及凸点金属的沉积。 金属掩模组件一般由背板、弹簧、金属模板以及夹子等构成。 硅片被夹在背板与金属模板 之间，然后通过手动对位. 对位公差可控制在25 mm。华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 90步骤步骤023 3、UBMUBM蒸镀（蒸镀（b b）：然后按顺序蒸镀Cr层、CrCu层、Cu层以及Au层。4 4 焊料蒸镀（焊料蒸镀（c c）：）： 在UBM表面蒸镀一层 97Pb/Sn 或者95Pb/Sn. 厚度约为 100-125 mm 。形成一个圆锥台形状华中科技

49、大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 91步骤步骤03注意图（e）中顶部的额外的锡层， 这是 Motorola采用的“蒸镀、额外共晶”，缩写为 “E3”。 这层薄薄的盖子允许器件连接到有机板上而不用在施加共晶焊料。这是因为高铅焊料在 300C回流，而不适合于有机基板。于是焊接时可只回流上面的锡铅共晶，而不将凸点熔化。5 5、凸点成球（、凸点成球（d d）：）： 在C4工艺中，凸点回流成球状。华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Feng

50、shun, 922、电镀凸点、电镀凸点 电镀是一个比较流行的工艺，其设备成本低、设施占地少，有很多的电镀工艺可以采用。传统的电镀沿用蒸镀使用的 Cr/Cr-Cu/Cu结构的UBM和使用高铅合金。 如果采用高锡合金，Sn会很快消耗Cu而破坏结构的完整性。于是为了沉积共晶焊料，往往在UBM的结构中， Ti/W作为结合层，其上有一层Cu的润湿层。而且润湿铜层要厚。 这种较厚的铜层称为“微球”或者“图钉帽”。使用这种结构公司有：德州仪器、摩托罗拉、国家半导体、冲电气（OKI）等公司。华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Feng

51、shun, 93电镀凸点横截面示意电镀凸点横截面示意图图华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 94电电镀镀凸凸点点步步骤骤示示意意图图华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 95步骤步骤011 1、硅片清洗：、硅片清洗：方法和目的与蒸镀中清洗相同。2 2、UBMUBM沉积：沉积：典型的UBM材料层为： TiWCuAu ，溅射到整个硅片上。理论上讲， UBM 层提供了一个平均得电流分布以利于一致的电镀。图(a)是

52、硅片覆盖了TiW的情形，为了形成微球或者图钉帽结构，施加掩模（b），沉积一定高度的Cu和Au（c）， 一般凸点总体高度为85 mm to 100 mm时候，微球高度为10 mm到25 mm 。华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 96步骤步骤023 3、焊料的电镀：、焊料的电镀： 再次施加掩模，以电镀凸点（d） 。 当凸点形成之后，掩模被剥离（e）。 暴露在外的UBM在一到两天内刻蚀掉。4 4、回流成球：、回流成球：回流后利于凸点在UBM去除时候不被破坏见图（f） 。华中科技大学材料学院连接与电子封装

53、中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 97Electroplating Solder Bumping Process电镀焊球凸点工艺电镀焊球凸点工艺Process Flow of Electroplating Solder Bump电镀焊球凸点工艺流程 ChipPR openingChipElectroplated solder bumpMushrooming2. Sputter Under Bump Metal金属层溅射金属层溅射3. Coat with PR覆盖光胶覆盖光胶4. Pattern for bump凸点光刻凸点光刻5.

54、 Electroplating Cu and Sn/Pb焊料电镀焊料电镀6. Remove Resist去除光胶去除光胶1. Wafer with Al pad钝化和金属化晶片钝化和金属化晶片ChipPassivationAl contact padChipUBMChipThick photoresist filmChip7. Strip Under Bump Metal去除去除UBMChip8. Reflow回流回流 Chipsolder ball after reflow华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Feng

55、shun, 98Electroplating Solder Bumping ProcessElectroplating Solder Bumping Process电镀凸点制备工艺电镀凸点制备工艺Peripheral array solder bumps 周边分布凸点周边分布凸点Area array solder bumps 面分布凸点面分布凸点 The peak temperature of reflow process回回流焊峰值温度：流焊峰值温度： 220 C. The effective bump pitch for peripheral array周边分布有效凸点间周边分布有效凸点间

56、距：距： 125 m mm.华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 99Process Specification工艺参数工艺参数 Photoresist Thickness 光刻胶厚度光刻胶厚度: 40100 m mm Bump Material凸点材料凸点材料: 63Sn/37Pb Bump height 凸点高度凸点高度: 75140 m mm UBM layer凸点下金属层凸点下金属层: Ti/W-Cu, Cr-Cu Min. effective pitch of bump 最小有效凸点间距最小

57、有效凸点间距 : 125 m mm I/O array输入输入/输出分布输出分布: peripheral array周边分布周边分布 and area array面分布面分布华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 100Flip Chip on Low-Cost Substrate SamplesSamples with Different Dimensions PCB上不同尺寸倒装焊样品上不同尺寸倒装焊样品Flip Chip on Flexible substrate在软质在软质底板上倒装焊底板上倒装

58、焊Direct chip attach on low-cost PCB, flexible substrate 已完成在低成本已完成在低成本PCB和软质底板上倒装焊工艺的研究和软质底板上倒装焊工艺的研究MCM-L technology 多芯片组装技术多芯片组装技术.华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 1013、焊膏印刷凸点、焊膏印刷凸点Delco 电子（DE） 、倒装芯片技术公司（FCT）、朗讯等公司广泛常用焊膏印刷成凸点的方法。 目前各种焊膏印刷技术可达到250 mm的细间距。 下面简介DE/FC

59、T的基本工艺。Stencil Printing Bumping Flip Chip Technology丝网印刷凸点倒装焊技术丝网印刷凸点倒装焊技术华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 102焊膏印刷凸点横截面示意图焊膏印刷凸点横截面示意图华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 103焊膏焊膏印刷印刷凸点凸点的步的步骤示骤示意图意图华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心20

60、22-6-27Prof. Wu Fengshun, 104步骤步骤1 1、清洗：、清洗：方法与目的与蒸镀相同。2 2、UBMUBM沉积图（沉积图（a a） ：溅射Al、Ni、Cu三层。 3 3、图形刻蚀成型：、图形刻蚀成型：在UBM上施用一定图样的掩模，刻蚀掉掩模以外的UBM（b），然后去除掩模，露出未UBM（c）。4 4、焊膏印刷以及回流：、焊膏印刷以及回流：见图（d）（e）华中科技大学材料学院连接与电子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2022-6-27Prof. Wu Fengshun, 105Electroless UBM and Stencil Printing化学镀UB