键合互连技术的现状及发展趋势.pdf
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1、2023年 云光技术 第55卷 第2期 7 键合互连技术的现状及发展趋势 龙金燕,刀丽纯,陈 超,张光弘,褚祝军(北方夜视技术股份有限公司,云南 昆明 650217)摘要:键合互连技术是电气互联技术领域中器件封装的关键技术,本文简要介绍了引线键合技术、载带自动焊键合、倒装焊键合 3 种常见键合互连技术的基本原理、类别及焊料选用等,并比较了它们的优缺点。接着又简要介绍了最新的键合技术研究现状。为了实现更高精度的互连,基于电镀和光刻技术、喷墨印刷技术的线型键合技术被开发出来;倒装互连键合技术由于在 2.5D/3D 封装领域具有广泛的应用前景,被学者广泛研究,技术发展趋势表现为凸点材料种类有所增加,
2、加热工艺更可控,焊接工艺有所优化;此外,为了满足垂直互连封装需要,基于热压键合、混合键合、钝化键合等各类低温键合技术也被开发出来。关键词:引线键合;低温键合;倒装键合;Cu-Cu 互连 0 引言 键合互连技术是半导体技术领域中器件封装的关键技术,其目的是建立电子器件的电气连接。键合互连技术发展水平直接决定了器件及其封装的质量、性能、可靠性、体积、封装密度等重要指标。近年来,随着电子元器件/组件不断向微型化、多芯片化、三维立体化、高密度化、系统化方向发展,市场对互连和封装工艺技术的要求也不断提高。根据摩尔定律,半导体制程节点以 0.7 倍递减逼近物理极限,从 1 m、0.8 m、0.5 m、0.
3、35 m、0.25 m、0.18 m、0.13 m、90 nm、65 nm、45 nm、32 nm、22 nm、16 nm、10 nm、7 nm,一直迭代到将要推出的 5 nm、3 nm。为了满足高密度集成、封装要求,封装技术正逐渐从传统的引线键合、载带自动键合等向硅通孔、嵌入式封装、晶圆级封装、系统级封装等先进技术演进。芯片的尺寸继续缩小,引脚数量不断增加,集成度持续提升。相应的键合互连技术也朝着高分辨、更小线宽、高集成化方向发展。1 常见的键合互连技术类型 根据互连方法和工艺的不同,常见的键合互连技术可以分为引线键合、载带自动焊键合、倒装焊键合三种方式。1.1 引线键合技术 引线键合技术是
4、指采用加热、加压或超声破坏焊盘表面氧化层和污染,使界面发生塑性变形产生原子扩散形成焊点,最终实现金属引线和焊盘连接的一种技术。图 1 所示是引线键合示意图及实物图。可根据器件特点,选用 PCB 板、金属管壳、陶瓷管壳等不同材料充当基板。引线键合工作机制主要由摩擦、接近和相互扩散三个阶段组成。根据键合能量不同,引线键合技术可分为三种。第一种是热压键合法,利用加压和加热,使得金属丝与焊区接触面的原子间距达到原子的引力范围以实现原子扩散键合。通常,键合前需将芯片焊盘的温度加热到 200左右,再提高毛细2023年 云光技术 第55卷 第2期 8 管劈刀尖端的温度,使金属丝变成球状,通过毛细管劈刀向焊盘
5、施加较大压力,从而将金属引线连接到焊盘上。该方法常用于金丝的键合,键合后一端焊点呈球形,一端呈楔形。图 1 引线键合技术示意图及效果图1 第二种是超声波法。在常温下通过在楔形劈刀上施加超声波,劈刀接触焊盘时使其表面氧化膜破碎,金属丝与金属焊盘通过摩擦产生的热量实现金属扩散,在 100 ms 内即可紧密接触实现键合。该方法的优点在于通过控制超声功率和时间调控键合效果,工艺简单,材料成本低。但由于这一方法通过施加超声波代替加热、加压过程,因此键合拉伸强度相对较弱。该方法常用于直径为 2550 m 的铝丝的键合,键合点两端都呈楔形。第三种是热超声波法,通过超声机械振动带动金属丝与衬底上蒸镀的膜层进行
6、摩擦,使氧化膜破碎,纯净的金属表面相互接触,接头区的温度升高以及高频振动,使金属晶格上原子处于受激活状态,发生相互扩散,实现金属键合。它结合了热压法和超声波法的优点,键合所需温度低、压力小,无方向性,能实现复杂的拱丝形状,是目前半导体工艺中最常用的方法。引线键合良品率与引线键合能量、金属材料、焊盘大小等有着紧密联系。常用的金属引线材质有金、铝和铜等。其中,金丝的导电性好,强度高,且化学性质很稳定,耐腐蚀能力也很强,广泛用于热压和热声焊;铝丝比金丝直径更大,间距也更大,纯铝丝太软很难被拉成丝,一般会掺入 1%Si 或者 1%Mg 以提高强度,铝丝主要用于高温封装或超声波法等无法使用金丝的场合;铜
7、丝价格便宜,但硬度太高,键合时不易形成球状,虽然,可通过向芯片焊盘增大压力解决,但压力过大会对焊盘造成损伤,且铜丝易氧化影响键合强度。然而,现有的芯片金属布线都是由铜制成,如今越来越倾向于使用铜丝。为了克服铜丝的缺点,通常会掺入少量的其他材料形成合金或者在使用时通入保护气氛。1.2 载带自动焊技术 载带自动焊技术是一种将芯片组装在金属化柔性高分子载带上的集成电路封装技术,通常先在芯片上形成凸点,然后将芯片上的凸点同载带上的焊点通过引线压焊机自动键合在一起,最后对芯片进行密封保护,图 2 是载带自动键合示意图和实物图。载带既作为芯片的支撑体,又作为芯片同周围电路的连接引线。载带自动焊的载带一般采
8、用铜箔引线,载带图形键合区上的金属凸点常用电镀金的铜凸点,芯片上常用金凸点1。载带自动焊接技术包括内引线键合和外引线键合两大类。内引线键合是将载带内引线与芯片凸点之间互连起来的技术,对应的,外引线键合是将载带外引线与外壳或基板焊区之间互连起来的技术。内引线键合在 300400的温度下进行,完成一次键合大约需要 1 s 的时间。外引线键合是用电热框架式的电烙铁工具(也称为热电极),将载带上的铜箔引线压入焊料金属中,对电烙铁加载能持续数秒钟的脉冲电压,利用热量将铜箔与基板的焊区互连起来。键合互连技术的现状及发展趋势 龙金燕,刀丽纯,陈 超,等 9 图 2 载带自动键合示意图1及实物图 载带自动焊技
9、术可以同时实现芯片与引线框上多个焊点的键合,键合速度快,生产效率高,容易实现工业化规模生产。同时,载带可以实现高密度输入/输出(I/O)引脚,能使器件封装厚度更薄(可封装 0.4 mm 厚的器件)、引线更短、电极间距更小(可达 50 m 以内)、外形尺寸更小,从而实现微型封装。由于 TAB 技术具有上述明显优点,近些年发展很快,目前该技术已经广泛应用于液晶示器、计算机、手表、智能卡、照相机等产品的 IC 封装中。1.3 倒装键合技术 倒装芯片键合是将芯片倒扣在封装基板上,通过芯片上的凸点直接与基板电极焊盘互连,从而省去模具安装或电线粘合的步骤,除了减少工艺外,其他优点还包括增加 I/O 密度,
10、更好的散热性,与引线连接相比,键合长度明显缩短,提升了信号传输速度。倒装焊接主要分为热压倒装焊和回流倒装焊两种技术手段。热压倒装焊通过倒装焊机对 Au、Cu、Al、Pb-Sn、Ag-Sn 等凸点进行倒装焊,在典型的热压倒装芯片封装过程中,芯片通过 35 mil 厚的焊料凸点连接到基板载体上,并在底部填充材料用来保护焊料凸点。不同的凸点材料需选用合适的键合方法。例如,金对金的热压焊需要具有高强度和高温度的粘合条件,而铟焊料比较软,几乎不需要任何力,但需要暴露在助焊剂或其他工艺气体中。回流倒装焊是针对锡铅焊料凸点进行再流焊接,又称 C4 技术。C4 倒装芯片焊接工艺包括印制助焊剂及焊膏、芯片贴装、
11、回流焊、清洗、下部填充及固化,C4 技术的优点是工艺成熟,回流焊时,焊球熔化有自对准作用,因而对贴装精度要求较低。然而倒装焊键合还存在芯片键合结果测试难度大,必须使用 X 射线检测设备检测不可见的焊点,凸点芯片适应性有限,组装工艺要求高,维修困难等问题,目前主要应用在高集成度领域。2 键合互连技术的研究进展 随着集成电路技术的发展,半导体引线线宽和间距不断减小,键合线宽从 2008 年的 0.057 m 减小为 2018 年的 0.018 m,焊盘间距从 35 m 减小到 20 m 以下,采用传统的引线键合会导致键合强度降低、引线短路、信号传输慢、甚至无法键合等问题。为了实现高密度互连,通过各
12、类先进技术对对器件封装进行了集成优化,同时各种超精细键合技术也随之被开发出来。2.1 线型键合技术发展 2.1.1 基于光刻和电镀实现高精度连接 上海交通大学李冬洋2将光刻与电镀工艺相结合实现芯片与衬底的连接。电镀前后对比图如图 3 所示。主要的工艺过程为:1)在样品上涂抹光刻胶;2)通过光刻在光刻胶上开孔(孔作为所需的互连路径);3)电镀金属用于互连;4)去除光刻胶。采用该方法制备出的引线结构较传统引线键合更为精细,线宽可缩短至 10 m,引线长度可做到 50 m 甚至更短。同时,引线间距2023年 云光技术 第55卷 第2期 10 可以做到更小,线宽 20 m 的引线间距可以精细到 25
13、m,打破了传统引线键合技术间距至少为线宽的 1.5 倍的限制。该技术可以实现非常高的横向分辨率,同时可以实现多个焊点互连,引线结构的结合力在 0.1N 以上,与传统引线键合技术中的结合力水平相接近。但工该艺较为复杂,成本较为昂贵,目前仅适用于单层芯片键合互连,尚未得到规模应用。图 3 光刻和电镀引线图2:(a)待做引线的三维结构示意图;(b)贴覆干膜后的效果示意图;(c)电镀金属引线实物图 2.1.2 基于喷墨印刷实现键合 喷墨印刷主要通过具有蚀刻功能的喷嘴将其中的金属材料喷出,从而绘制设定图案。喷嘴尖端孔径的直径、材料颗粒大小、喷嘴距离焊盘间距和喷嘴的运动速度决定了用这种方法制成的金属丝的宽
14、度、厚度、电导率和稳定性。刘等人3在不同的 SiO2/Si 衬底上制备了多个依次排列的200 m200 m 电极(该电极由 50 nm Au 和 10 nm Ti 制成),两列之间的距离为 800 m,通过喷印 Ag 可以实现忆阻器两电极之间的互连,如图 4 所示,喷印的 Ag 点平均半径为 251.95104.25 nm,线材的平均宽度为 10026 m,通过对比测试发现,喷墨印刷的导线与通过电子束蒸发、溅射和引线键合制造的导线一样具有导电性。(a)(b)图 4 喷墨印刷键合效果:(a)喷墨印刷键合实物图;(b)喷墨印刷的忆阻器3 使用该种技术的优点是在金属沉积过程中使用的低能量不会改变应用
15、材料的原子结构,操作简单、制作成本低,对于不需要高横向分辨率的应用来说是一种可靠、无损和廉价的技术。2.2 倒装互连技术的发展 早期的倒装互连技术以 1D,2D 为主,随着半导体技术的日益发展,如图 5 所示,已经迅速转向更先进的 2.5 和 3D 封装方案,以实现更高密度 I/O、系统和异构集成。2.5D/3D 封装依赖于将集成电路芯片组装到中间层,中间层又被安装到主电路板或其他更高的组件上。中间层(通常由硅、玻璃或其他特殊材料填充组成)保证了相邻芯片间的密集互连。同时,基于芯片间堆叠和直接互连的 3D 集成可以实现更短的互连路径,进而提高器件性能并减小封装体积。(c)(c)键合互连技术的现
16、状及发展趋势 龙金燕,刀丽纯,陈 超,等 11 图 5 倒装互连技术的发展趋势 2.2.1 倒装互连凸点制作工艺研究 倒装互连凸点制作技术主要包括热蒸发和电镀。热蒸发过程通过控制蒸发时间和蒸发材料量实现高度可控的凸起制作,该方法早期主要用于铅或富铅焊料制作,近年来也被用于铟柱制作以实现 InGaAs 倒装互连。热蒸发制作凸点成本低,但凸点回流时容易发生形变,导致焊接空洞,影响器件的可靠性。电镀是一种具有高选择性和高效率的工艺,且可以扩展到更细的间距,更大的晶圆,焊料选择也不受限制。在电镀领域,铜由于具有良好的导电导热性能,互连时形变量小,能提高工艺质量和电子器件可靠性,目前常被用来制作电镀凸点
17、。Madhav Datta 等人将先进的光刻技术与电镀相结合,制造出高度小于 50 m,间距小于 50 m,宽高比高达 6:1 的铜柱4,实物图示于图 6。随着先进封装要求的不断发展,更小尺寸的铜柱将为系统集成设计人员提供更多的 I/O 密度排布设计机会。图 6 电镀获得的高度为 30 m、直径 50 m 直径的铜柱 SEM 图:(a)间距为 12.5 m;(b)间距为 50 m4 2.2.2 倒装互连加热工艺研究 传统倒装芯片互连通常采用回流焊和热压焊等加热工艺实现芯片与基板键合,该过程中无法实现热能传递的选择和控制,有时还会造成芯片翘曲。Yanggyoo Jung5等人发现搭配匀光器的激光
18、辅助键合系统具有优异的热选择性,极快的上升速度以及可控的波长,将其用于芯片和基板的互连中,可以实现选择性加热,还可控制键合高度、键合精度等,激光加热装置示于图 7(a)。通过图 7(b)所示的成像表征发现激光辅助键合不会对芯片造成任何损坏,键合处无虚焊、脱落现象,采用厚度为 780 m、100 m 的的键合芯片进行电气功能测试均合格,表明激光加热方法应用于集成电路非常可靠,并且由于该方法具有极高的键合效率,能耗低,可操作性强,可实现规模化应用。2023年 云光技术 第55卷 第2期 12 (a)(b)图 7 (a)激光加热键合示意图;(b)激光键合的芯片红外成像结果5 2.2.3 倒装互连凸点
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