倒装芯片技术幻灯片.ppt
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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 P1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 P2 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 P3第一部分第一部分倒装芯片简介倒装芯片简介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 P4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(
2、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 P5什么是倒装芯片?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 P6三种晶
3、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 P7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。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
4、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 P8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 P9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
5、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料学院连接与电子封装中心 P10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 P11I/O 数比较数比较
6、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 P12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 P13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 P14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
7、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 P15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 P16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 P17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
8、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 P18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 P19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 P20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 P21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
9、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 P22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 P23Coffin-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 P24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系数(Coefficient of Thermal Expansion,CTE)相配 小的工作温
10、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 P25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学材料学院连接与电子封装中心 P26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
11、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 P27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 P28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 P29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
12、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学院连接与电子封装中心 P30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 P31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
13、封装中心 P32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 P33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 P34钉头金凸点制作钉头金凸点制作Gol
14、d 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 P35Coining(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 P36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,
15、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 P37若干问题若干问题对于直径为80m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。华中科技大学材料学院连接与电子封装中
16、心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心 P38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 P39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
17、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 P40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 P41GaAs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
18、子封装中心 P42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。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 P43 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
19、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。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 P44 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
20、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 P45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 P46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连接与电子封装中心 P47各向异性导电胶各向异性导电胶是膏状或者薄膜状的热
21、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 P48 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 P49倒装芯
22、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 P50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 P51
23、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 P52 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 P53 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
24、子封装中心华中科技大学材料学院连接与电子封装中心 P54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 P55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 P56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 P57凸点的制作凸点的制作UBMUBM凸点形成凸点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 P58对对UBM的要求的要求01 必须
25、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 P59对对 UBM的要求的要求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
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