倒装芯片技术

2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@1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2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@2

倒装芯片(FlipChip)技术2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@3第一部分倒装芯片简介2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@4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.2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@5什么是倒装芯片？

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（DirectChipAttach）。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@6三种晶片级互连方法2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@7倒装芯片历史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。后来制作PbSn凸点，使用可控塌焊连接（ControlledcollapseComponentConnection,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％。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@8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。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@9优点－01

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:

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。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@10优点－02

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:

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：倒装芯片没有塑封，芯片背面可进行有效的冷却。低成本：批量的凸点降低了成本。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@11I/O数比较倒装芯片与扁平封装的引脚数比较2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@12信号效果比较2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@13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2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@14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2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@15倒装芯片工艺概述主要工艺步骤：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2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@16第一步：凸点下金属化

（UBM，underbumpmetallization）2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@17第二步:回流形成凸点2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@18第三步：倒装芯片组装2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@19第四步：底部填充与固化2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@20不同的倒装芯片焊点2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@21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。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@22不同的倒装芯片连接方法焊料焊接热压焊接热声焊接粘胶连接2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@23Coffin-Manson低周疲劳模型2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@24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系数（CoefficientofThermalExpansion,CTE）相配小的工作温度变化范围要提高可靠性必须要求：2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@25倒装芯片工艺：通过焊料焊接－01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（>0.4mm），可用模板印刷焊膏。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@26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

：焊剂残留。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：

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－022023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@27步骤示意图2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@28底部填充示意图2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@29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。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@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2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@31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。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@32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。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@33钉头金凸点

SBB（StudBondBump）2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@34钉头金凸点制作GoldwireGoldballCoining(level)WirebreakingBallbondingGoldstudGoldstudbump2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@35Coining(level)FlattailbumpRaisedcrossbumpCrossedslotsbumpVariationStackedbump钉头金凸点制作2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@36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2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@37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。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@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2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@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2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@40

倒装芯片的连接头应该能够产生300°C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2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@41GaAs器件的热压倒装芯片连接工艺参数曲线工艺参数曲线2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@42倒装芯片工艺—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。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。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@43

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。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。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@44

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。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@45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2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@46倒装芯片工艺—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2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@47

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2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@48

倒装芯片导电胶连接示意图2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@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2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@50

采用导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2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@51各向同性导电胶形成的凸点的SEM照片凸点形貌2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@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2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@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2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@54钉头凸点导电胶连接技术2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@55倒装芯片失效原因——鱼骨图2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@56第二部分凸点及其制作2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@57凸点的制作UBM凸点形成2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@58对UBM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：

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：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。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@59对UBM的要求－02

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。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@60

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。对UBM的要求－032023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@61UBM结构示意图2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@62UBM结构－01UBM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、Ti、Ti/W、 Ni、Al、Cu、Pd和Mo。 典型厚度：0.15-0.2mm.2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@63UBM结构——022焊料润湿层：典型金属:Cu、Ni、Pd。典型厚度:1-5mm。3氧化阻挡层：典型金属：Au。典型厚度：0.05-0.1mm。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@64UBM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。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@65UBM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3～5％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。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@66层次组合特点2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@67UBM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：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: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。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@68常见的UBM方法UBM形成方法－化学镀镍方法2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@69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，也可以用来形成凸点。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@70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1-15mm，而5mm厚的镍UBM就能使焊料凸点的可靠性明显提高。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@71化学镀镍特点——02

镀镍之后，还要在镍上镀一层厚度为0.05-0.1mm的金，它主要是防止镍发生氧化，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。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@72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(palladiumactivation)

、镍置换(nickeldisplacement)

、直接镀镍等。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@73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：2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@74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，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。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@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3-4mm到小于1mm不等，这样的表面使随后的镀镍层也非常粗糙。第一轮镀锌2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@76第一轮粗糙的表面2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@77导致不均匀、粗糙的镀镍结果2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@78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：2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@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，0.3-0.4mm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1mm。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2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@80

镀镍：镀锌之后，铝被浸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。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@81其它铝焊盘处理技术－01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，钯有选择地沉积在铝表面。之后，铝再被浸入化学镀镍的溶液中进行化学镀。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@82其它铝焊盘处理技术－02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。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@83其它铝焊盘处理技术－03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。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@84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。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@85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.

2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@86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,电镀焊料凸点,印刷焊料凸点,钉头焊料凸点放球凸点焊料转移凸2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@871、蒸镀凸点2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@88蒸镀凸点步骤示意图2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@89步骤－011、现场对硅片溅射清洗（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、金属掩模：常常用带图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25mm。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@90步骤－023、UBM蒸镀（b）：然后按顺序蒸镀Cr层、CrCu层、Cu层以及Au层。4焊料蒸镀（c）：在UBM表面蒸镀一层97Pb/Sn或者95Pb/Sn.厚度约为100-125mm。形成一个圆锥台形状2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@91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300°C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、凸点成球（d）：在C4工艺中，凸点回流成球状。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@922、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。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@93电镀凸点横截面示意图2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@94电镀凸点步骤示意图2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@95步骤－011、硅片清洗：方法和目的与蒸镀中清洗相同。2、UBM沉积：典型的UBM材料层为：TiW－Cu－Au，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85mmto100mm时候，微球高度为10mm到25mm。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@96步骤－023、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、回流成球：回流后利于凸点在UBM去除时候不被破坏见图（f）。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@97ElectroplatingSolderBumpingProcess

电镀焊球凸点工艺ProcessFlowofElectroplatingSolderBump电镀焊球凸点工艺流程

ChipPRopeningChipElectroplatedsolderbumpMushrooming2.SputterUnderBumpMetal金属层溅射3.CoatwithPR覆盖光胶4.Patternforbump凸点光刻5.ElectroplatingCuandSn/Pb焊料电镀6.RemoveResist去除光胶1.WaferwithAlpad钝化和金属化晶片ChipPassivationAlcontactpadChipUBMChipThickphotoresistfilmChip7.StripUnderBumpMetal去除UBMChip8.Reflow回流Chipsolderballafterreflow2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@98ElectroplatingSolderBumpingProcess

电镀凸点制备工艺Peripheralarraysolderbumps周边分布凸点Areaarraysolderbumps面分布凸点

Thepeaktemperatureofreflowprocess回流焊峰值温度：220ºC.

Theeffectivebumppitchforperipheralarray周边分布有效凸点间距：

125m.2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@99ProcessSpecification工艺参数PhotoresistThickness光刻胶厚度:40~100m BumpMaterial凸点材料:63Sn/37PbBumpheight凸点高度:75~140mUBMlayer凸点下金属层:Ti/W-Cu,Cr-CuMin.effectivepitchofbump最小有效凸点间距:125mI/Oarray输入/输出分布:peripheralarray周边分布andareaarray面分布2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@100FlipChiponLow-CostSubstrateSamplesSampleswithDifferentDimensionsPCB上不同尺寸倒装焊样品FlipChiponFlexiblesubstrate在软质底板上倒装焊Directchipattachonlow-costPCB,flexiblesubstrate

已完成在低成本PCB和软质底板上倒装焊工艺的研究MCM-Ltechnology多芯片组装技术.2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@1013、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250mm的细间距。下面简介DE/FCT的基本工艺。StencilPrintingBumpingFlipChipTechnology

丝网印刷凸点倒装焊技术2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@102焊膏印刷凸点横截面示意图2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@103焊膏印刷凸点的步骤示意图2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@104步骤1、清洗：方法与目的与蒸镀相同。2、UBM沉积图（a）：溅射Al、Ni、Cu三层。3、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、焊膏印刷以及回流：见图（d）（e）2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@105ElectrolessUBMandStencilPrinting化学镀UBM和丝网印刷工艺

Themostpotentiallowcostflipchipbumpingmethod.

最具前景的低成本倒装焊凸点制备方法UsingelectrolessNi/AuasUBMsystem用化学镀镍/金作为凸点下金属层masklessprocess无掩膜工艺CompatiblewithSMTprocess与表面贴装工艺兼容Flexiblefordifferentsolderalloys适用于不同焊料合金ChipSolderBumpElectrolessNi/AuPassivation2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@106StencilPrintingProcessFlow丝网印刷工艺流程ProcessflowofStencilPrintingProcess丝网印刷工艺流程(nottoscale)Waferpreparation晶片制备(PassivationandAlpads)ZincationPretreatment锌化预处理ElectrolessNi/ImmersionAu化学镀镍/金StencilPrinting丝网印刷SolderReflowandCleaning焊料回流和清洗2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@107StencilPrintingProcessFlow丝网印刷工艺流程SketchofprocessflowElectrolessNi/AuStud(Crosssection)化学镀镍/金SolderPastePrinting浆料印刷Reflow回流2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@108ProcessSpecification工艺参数I/Opadswithapitchof400mareusedfortestingdice Thelimitationofthisprocessisthepitchof150m.

测试芯片I/O凸点间距：400微米ThicknessofNi/AuUBMis5~6m. Ni/AuUBM厚度：5~6微米Differentsolderalloysareavailable. Solderalloysfromdifferentvender:Kester,Multicore,AlphaMetal,Indium,… Differentcomposition:eutecticPb-Sn,leadfree

可应用不同供应商凸点焊料2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@109SamplesbyStencilPrintingBumping

丝网印刷凸点工艺样品FlipChiponPCBforTesting在PCB上倒装焊测试样品2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@1104、钉头焊料凸点

使用标准的导线键合中的方法来形成凸点，Au丝线或者Pb基的丝线。其过程与导线键合基本相同，唯一的差别就是：球在键合头形成之后就键合到焊盘上，其丝线马上从球顶端截断。这种方法要求UBM与使用的丝线相容。 然后这种图钉式的凸点通过回流或者整形方法形成一个圆滑的形状，以获得一致的凸点高度。一般地，这种凸点与导电胶或者焊料配合使用以进行组装互连。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@111钉头凸点形貌未整形的Au钉头凸点与整形后的凸点

2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@112钉头焊料凸点步骤示意图2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@113凸点形貌Sn/Pb钉头凸点在300°C回流后与Al焊盘发生去润湿2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@1145、放球法PacTech研制一种SolderBallBumper。一个植球头单元在放球的同时通过光纤施加激光脉冲进行回流焊。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@115放球法设备2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@1166、焊料转送凸点在载体上形成，然后转送到焊盘上去。载体必须是与焊料不润湿的材料，如硅片、热阻玻璃片等。首先，通过蒸镀在载体上形成凸点，其图样与芯片焊盘极度的一致。载体图样的形成通过金属模板掩模与抬起工艺来制作。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@117焊料转送简介在沉积凸点之前，要沉积大约1000A°厚度的金薄层。它用来增加焊料与载体的粘附力，以防止焊料从载体上分离，而且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，下一步就是焊料转送。如果要将凸点转移到硅片上，将载体分割后放在涂了焊剂的硅片上。如果要将凸点转移到单个芯片上，则将晶片放在途有焊剂的载体上。然后进行回流，凸点与载体不润湿，从而焊接到晶片焊盘上。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@118焊料传送步骤示意图2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@119若干问题在凸点材料的选择、焊盘的尺寸设计、焊接材料与基底材料的兼容性等方面要注意以下几个问题：2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@120

FR4-基底不能承受太高的回流焊温度，如果凸点采用的是高温焊料(如Pb95/Sn5),那么在基底上一定要再施加一些低温合金焊料，以实现低温连接。周边焊盘阵列的最小间距为200mm，而面阵列焊盘的最小间距可为250mm。在多数晶片中，焊盘都是采用周边阵列的形式，以方便进行引线键合工艺。若干问题－012023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@121

在倒装芯片连接中，采用面阵列焊盘的形式可以增加输入输出I/O数，如果要将周边阵列改为面阵列，则需要改变晶片上电路的结构，然后再进行凸点工艺。流过焊料凸点的最大电流密度为大约4200A/cm2。典型的凸点高度为125-140mm，这取决于焊盘之间的间距，凸点高度的公差范围为±15mm。若干问题－022023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@122UBM

基底的金属化层应与凸点中的焊料形成良好的结合。若基板上的焊盘材料为铜，铜上一般还要再镀一层铅锡、锡或者金。采用金作为铜焊盘的金属化层，其厚度要限制在1-2mm内，以防止产生脆性的金－锡金属间化合物。如果金属化层就是裸铜，那么应该采用焊料平整工艺在焊盘上涂覆一薄层熔融焊料，以提高可焊性，同时增加接头中的焊料体积，使接头更具有韧性。但是，每一个焊盘上涂覆的焊料的高度和体积应该尽可能均匀一致。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@123加热

如果没有底部填充，建议最高连接温度为140oC到150oC。一个凸点的热阻为1000-1500oC/W，将一个焊料凸点的热阻除以芯片上凸点的个数，就可以粗略估算出倒装芯片中芯片与基底之间的热阻。此外，其他途径也可以改善芯片的散热。例如，可以在芯片上形成一些专门用于散热的凸点(“哑凸点”)，或者采用高热导率的底部填充材料。在一些大功率的封装件中，如微处理器，散热十分重要，此时芯片的背面也可以用于散热。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@124

倒装芯片组装非常适用于高频应用领域，因为在这种组装结构中，芯片与基底之间的连接通路非常短。倒装焊点的串连阻抗为1mW左右，串连电感为0.025nH，远小于引线键合中的5～10nH。正是由于倒装芯片组装的这种优点，信号的传输时延可以显著降低。速度2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@125

带有引线键合芯片的PGA封装与带有倒装芯片的BGA封装在电容、电感、电阻、传输时延等方面的性能比较电性能2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@126

主要指焊点的热疲劳可靠性。另一个失效就是腐蚀以及原子迁移导致的结构中的电场以及热梯度。热疲劳主要依赖焊料性能、芯片与基板的热膨胀系数。以及焊点高度、焊点到结构中心的距离、使用温度范围等。底部填充材料可能显著影响焊点的热疲劳可靠性。不同材料的热疲劳性能比较见下表。铟基焊料热疲劳性能好，但是在高湿度下可靠性很差。可靠性2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@127

当不使用底部填充时，热疲劳是焊点可靠性的主要问题。适当地底部填充材料部分阻挡了焊点的热变形，于是疲劳破坏与焊点至结构的中点的距离的关系就不大。其他条件相同条件下不同材料的热疲劳寿命比较热疲劳2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@128

底部填充材料吸收了一定的应力，在某些情况下回将其本身的变形转嫁给芯片，于是芯片中的应力过大而导致开裂。应力的水平取决于基板材料以及硅晶片的表面质量。焊点随温度的循环的疲劳寿命可以使用有限元分析、经验模型以及计算机软件进行模拟。对于苛刻的使用要求，建议采用加速测试。疲劳寿命2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@129

在固化底部填充材料前，要对已经焊接的芯片进行测试。一旦固化，出去失效的芯片就很困难。最好在芯片焊接将就进行测试，以确保芯片是真正好的芯片（KGD,Known-GoodDie），以减少返修的可能。

对于真正好的芯片，仍然有很多设备和技术问题。传统的IC一般进行全面的测试，然后包封起来，因为其最终的测试可以很容易地进行。测试－012023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@130

对于KGD，有两种基本的测试以及强化途径： （1）在圆片级

(2)在单个芯片级。 由于功率分布、冷却以及圆片接触的问题，在高频和包封状态下进行圆片级的测试有很大的技术难度。而对于单个芯片的高频以及强化测试，要使用测试插座、探针卡等，会破坏芯片的焊盘，且限制了高频并且增加了成本。目前强化测试、边界扫描测试等的研究比较活跃。测试－022023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@131

对于生产KGD，出现了将KGD组装到临时载体上使之成为临时单芯片而进行强化等传统测试，以提高质量和可靠性。这种情况下，晶片被安装到与单芯片相同的单芯片封装中，在焊盘间进行临时电气连接，然后进行传统的测试。当测试完之后，晶片就取出来。

测试－032023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@132

一般的倒装芯片组装是通过焊料将凸点焊接到电路板上。对于细间距应用，

焊料可在焊盘上施加较粘的焊剂，施用方法有浸渍芯片或者将焊剂直接涂覆到基板上的办法。对于间距大于0.4mm，可通过焊膏印刷的办法。 然后将芯片放在涂覆了焊剂或者焊膏的焊盘上，进行回流，最后清洗。生产过程2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@133

然后滴注底部填充材料，加热固化。与传统的SMD组装比，倒装芯片组装需要一些额外的工具与步骤，如：芯片转载单元、焊剂涂覆单元、浸渍步骤或者焊剂槽以及底部填充与固化设备。生产过程2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@134底部填充2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@135底部填充的作用Si的CET：2.8ppm/oC、FR4的为15.8ppm/oC，在功率循环与热循环工作中，CET失配导致焊点热应力，而发生疲劳失效。底部填充材料将集中的应力分散到芯片的塑封材料中去。还可阻止焊料蠕变，并增加倒装芯片连接的强度与刚度。保护芯片免受环境的影响（湿气、离子污染等）使得芯片耐受机械振动与冲击。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@136填充材料的要求

不适宜使用一般用于包封芯片的环氧树脂，因为这类环氧树脂及其添加料的放射高，粘滞性高，填料粒子尺寸大于倒装芯片与基板间的间隙。则填料的要复合以下要求：无挥发性。否则会导致芯片底部产生间隙。尽可能减小应力失配。填料与凸点连接处的Z方向CTE要匹配。固化温度要低。防止PCB热变形。较高的玻璃转化温度。以保证耐热循环冲击的可靠性。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@137填充材料的要求填料粒子尺寸要小。在填充温度下流动性要好。具有较高的弹性模量以及弯曲强度。使得互连应力小。高温高湿下，绝缘电阻要高。即要求杂质离子（Cl－，Na＋、K＋）等数量要低。对于存储器等敏感元件，填料低的放射至关重要。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@138填充方式1、芯片焊接后填充 环氧物质中掺有陶瓷填料以提高导热率并改善CET。 需要一个阻挡装置，以防止填充材料到处溢流。2、芯片焊接前填充： 非流动填充，由乔治亚理工大学C.P.Wong等人首先提出。 填充材料发挥焊剂与填充功能，焊接、填充与固化一步完成。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@139常用填充方法

填充时，将倒装芯片与基板加热到70至75

oC，利用装有填料的L形注射器，沿着芯片的边缘双向注射填料。由于缝隙的毛细管的虹吸作用，填料被吸入，并向中心流动。芯片边缘有阻挡物，以防止流出。有的使用基板倾斜的方法以利于流动。 填充完毕后，在烘箱中分段升温，达到130oC左右的固化温度后，保持3到4小时即可达完全固化。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@140填充方式传统填充方式：芯片焊接前填充较新填充方式：芯片焊接后填充（noflow）2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@141非流动填充01（No-flowUnderfill）2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@142非流动填充022023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@143非流动填充03清洗测试2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@144填充过程的关键因素填充量：不足导致晶片开裂、过多会溢流到芯片底部以外。填充量取决于填充空间的准确计算以及填充工具的精度。填充温度：预热、加热以及填充后的加热对其流动性有很大的影响。填充方法：从一边填充会导致流动时间长，从两边填充会导致内部产生气孔。2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@145含额外的焊剂涂覆单元的倒装芯片组装设备组装设备2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@146底部填充设备底部填充设备2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@147ReliabilityTest

可靠性测试2023/2/2Prof.WuFengshun,fengshunwu@148ReliabilityTestDesign可靠性测试设计JEDECStandardforTestDesign JEDEC标准测试设计(JointElectronDeviceEngineeringCouncil)

TestDice测试芯片Reliabi