1 倒裝焊接flip chip 技術

 

目前集成電路互聯的技術主要有三種，引線鍵合技術（Wire Bonding），載帶自動鍵合技術（Tape Automated bonding），倒裝芯片技術（Flip chip）。WB和TAB的芯片焊盤都再芯片四周，因此I/O數量不能太多，而FC可以將整個芯片面積用來與基板互聯，極大的提高了I/O數。

倒裝芯片起源于20世紀60年代，由IBM率先研發出來，是將芯片功能區朝下以倒扣的方式背對著基板通過焊料凸點（簡稱Bump）與基板進行互聯，芯片放置方向與傳統封裝功能區朝上相反，故稱倒裝芯片。如下圖1 所示

圖1 倒裝芯片封裝基本結構

2 倒裝芯片的優點與缺點

 

倒裝封裝大大提高了電子器件集成度，近幾年倒裝新品啊已經稱為高性能封裝的互聯方法，它的應用得到比較廣泛快速的發展。目前倒裝芯片主要應用在WiFi ，SIP，MCM，CIS，微處理器等方面。但是同時也還有很多方面的問題待解決。其優點與缺點如表1所示

 

優點	缺點
1 尺寸小，厚度薄，重量輕 2 單位面積的I/O數量遠大于傳統封裝繼承技術，密度更高 3 傳輸性能提升，互聯結構尺寸短小，減少了電感，電阻以及電容，信號完整性，射頻性能更好 4 散熱能力強，芯片背板可添加散熱片進行冷卻，提高芯片告訴運行時的穩定性 5 FC焊料凸點制備工藝更適合集成化發展需求，生產效率較WB工藝有大幅提高	1 FC需要在晶圓上制造凸點，工藝相對復雜 2 如果芯片不是專門FC設計的，還需要設計和加工再分布層 3 FC更易收到溫度變化的影響需要更多地考慮芯片和基板的CTE良好匹配，對熱分析有更高的要求

 

3 倒裝芯片（Flip chip）工藝

 

倒裝芯片封裝技術一般是采用平面工藝在集成電路芯片的輸入/輸出端（I/O）端制作無鉛焊點，將芯片上的焊點與基板上的焊盤進行對位，貼裝，然后使用焊料回流工藝在芯片和基板焊盤間形成焊球，再在芯片和基板焊盤間形成焊球，再在芯片與基板間的空隙中填充底部填充膠，最終實現芯片與基板間的電，熱和機械連接。圖2為倒裝芯片的封裝工藝。

圖2 倒裝芯片封裝工藝

倒裝芯片連接有三種主要類型C4（Controlled CollapseChip Connection）、DCA（Direct chipattach）和FCAA （Flip chip AdhesiveAttachment）。C4是類似超細間距BGA的一種形式與硅片連接的焊球陣列一般的間距為0.23 mm，0.254 mm。焊球直徑為0.102 mm、0.127mm。焊球組分為97Pb/3Sn。UBM Bump 結構（Under Bump Metallurgy）如圖3。

圖3 Bump structure

對于倒裝的晶圓封裝一般為如下工藝

圖4 倒裝晶圓封裝工藝流程

這些焊球在硅片上可以呈完全分布或者部分分布。如下圖5。

 

從上面的介紹可以看到倒裝芯片的主要工藝步驟包括：底部金屬層UBM（Under Bump Metallurgy），凸點制作（Bumping），互連（Interconnection），底部填充（Underfilling）和固化（Curing）

4 UBM沉積

因為焊料等不能和芯片上的AL pad基地直接互聯，所以需要在Arpad上沉積過渡層，稱之為底部金屬沉積。如下圖5

圖6 UBM

 

UBM一般包括三層，第一層為黏附層Adhesion layer， Ti，Cr，TiW 提供與Al Pad的連接厚度約（0.15~2um），有較強的粘附性，第二層為潤濕層（Wetting layer），材料為Ni，Cu，Mo，Pt在高溫回流焊錫球時可完全黏附成球，厚度（1~5um）。第三層為保護層（Protective layer）采用Au來保護Ni，Cu等材料被氧化。厚度（0.05~0.1um）。目前常用的沉積工藝主要有

濺射，用濺射的方法一層一層地在硅片上沉積薄膜，然后通過照相平板技術形成UBM圖圖樣，然后蝕刻掉不是圖樣的部分。

蒸鍍，利用掩膜，通過蒸鍍的方法在硅片上一層一層地沉積。這種選擇性的沉積的淹模可用于對應凸點的形成之中。

化學鍍，采用化學鍍的方法在Al焊盤上選擇性地鍍Ni。常常用鋅酸鹽工藝對Al表面進行處理。無需真空及圖樣蝕刻設備，成本低。

圖7 UBM &凸點制作

表1 為各個工藝對比

表1 UBM工藝對比

5 凸點制作

在UBM準備好后，要在上面制備出一定厚度的球形或者方形凸點，作為芯片互連的引腳。凸點常用的材料是Pb/Sn合金，因為其回流焊特性如自中心作用以及焊料下落等。子中心作用減少了對芯片貼放的精度要求。下落特點減少了共面性差的問題。95Pb/5Sn或者87Pb/3Sn的回流焊溫度較高330-350℃。根據芯片的其他部分，有基板等的工作溫度要求，開發出了高錫焊料，如37Pb/63Sn的回流溫度200℃左右。對于凸點制作，則出現了很多種不同的方法，主要有

5.1蒸鍍焊料凸點，基本步驟為1）硅片濺射清洗，沉積金屬前去除氧化為或者照相掩模。同時使得硅片鈍化層以及焊盤表面粗糙以提高對UBM的結合力。2）金屬掩模，常常用帶圖樣的鉬金屬掩模來覆蓋硅片以利于UBM以及凸點金屬的沉積。金屬掩模組件一般由背板，彈簧，金屬模板以及夾子等構成。硅片被夾在背板與金屬模板之間，然后通過手動對位，對位公差可控制在25um。3) UBM 蒸鍍，然后按照順序蒸鍍Cr 層，CrCu層，Cu層以及Au層。4）焊料蒸鍍，在UBM表面蒸鍍一層97Pb/Sn或者95Pb/Sn，厚度約為100~125um。形成一個圓錐臺形狀。5）凸點成球，在C4工藝中，凸點回流成球狀。

5.2電鍍凸點，電鍍是一個比較流行的工藝，其設備成本低，設施占地少，有很多的電鍍工藝可以采用。傳統的電鍍沿用蒸鍍使用的Cr/Cr-Cu/Cu結構的UBM和使用高鉛合金。電鍍焊球凸點工藝如下圖

圖8 電鍍焊球凸點工藝流程

5.3錫膏印刷凸點，目前各種焊膏印刷技術可達到250um的細間距。工藝步驟有清洗，UBM沉積圖（a），圖形刻蝕成型（b，c），焊膏印刷以及回流（d，e）。基本工藝如下圖

圖9 電鍍焊球凸點工藝流程

5.4釘頭焊料凸點，使用標準的導線鍵合中的方法來形成凸點，Au絲線或者Pb基的絲線。其過程與導線鍵合基本相同，唯一的差別就是：球在鍵合頭形成之后就鍵合到焊盤商，其絲線馬上從球頂端截斷。這種方法要求UBM與使用的絲線相容。然后這種圖釘式的凸點通過回流或者整形方法形成一個圓滑的形狀，以獲得一致的凸點高度。一般地，這種凸點與導電膠或者焊料配合使用以進行組裝互連。

                           

圖10 釘頭焊料凸點未整形與整形后的凸點

6 互連組裝

 對于互連組裝，出現了焊料和電膠兩種連接材料，焊料互連一般采用回流，熱壓，熱聲等互連方法；而導電膠互連則采用熱壓粘結方法。與傳統的SMD組裝比，倒裝芯片組裝需要一些額外的工具與步驟，如：芯片轉載單元，焊劑涂敷單元，浸漬步驟或者焊劑槽以及底部填充與固化設備。倒裝工藝有其特殊性，該工藝引入助焊劑工藝，將器件浸蘸在助焊劑薄膜里讓器件焊球蘸取一定量的助焊劑，再將器件貼裝再基板上，然后回流焊接。或者將助焊劑預先施加在基板上，再貼裝器件與回流焊接。助焊劑在回流之前起到固定器件的作用，回流過程中起到潤濕焊接表面增強可焊性的作用。

圖11 回流工藝 a為蘸助焊劑工藝，b為印制助焊劑工藝

上述倒裝芯片組裝工藝是針對C4器件而言。另外一種工藝是利用各向異性導電膠（ACF）來裝配倒裝芯片。預先在基板上施加異性導電膠，貼片頭用較高壓力將器件貼裝在基板上，同時對器件加熱，使導電膠固化。該工藝要求貼片具有非常高的精度，同時貼片頭具有大壓力及加熱功能。對于非C4器件的裝配，趨向采用此工藝。

倒裝芯片幾何尺寸，焊球直徑小（小到0.05mm），焊球間距小（小到0.1mm），外形尺寸小（1mm2）。要獲得好的裝配良率，給貼裝設備以及工藝帶來了挑戰，隨著焊球直徑的縮小，貼裝精度要求越來越高。

目前10un甚至2um的精度越來越常見，貼片設備照相機圖形處理能力也十分關鍵，小的球經和小的球間距需要更高像素的相機來處理。

隨著施加推移，高性能芯片尺寸不斷增大，焊凸點數量不斷增多，基板越來越薄，為了提高產品可靠性，底部填充稱為必須的工藝。

6.2 貼片的精度

在假設倒裝芯片的凸點為球形，基板上對應的焊盤為圓形，且具有相同的直徑。假設無基板翹曲變形及制造缺陷方面的影響。并且不考慮Theta和沖擊的影響。在回流焊接過程中，器件具有自對中性，焊球與潤濕面50%的接觸在焊接過程中可以被拉正。那么基于以上的假設，直徑25um的焊球如果其對應的焊盤的直徑為50um時，左右位置偏差（X軸）或前后位置偏差（Y軸）在焊盤尺寸的50%，焊球都始終在焊盤上。那么對于焊球直徑為25um的倒裝芯片，工藝能力Cpk要達到1.33的話，要求機器的最小精度必須達到12um@3sigma。

圖12 芯片貼裝精度示意圖

 

6.2 吸嘴與壓力的選擇

由于倒裝芯片基材是硅，表面非常平整光滑，最好選擇頭部是硬質塑料具有多孔的ESD吸嘴。如果頭部選擇橡膠的吸嘴，隨著橡膠的老化，在貼片過程中可能會粘連器件，造成貼片偏移或帶走器件。

在取料，助焊劑浸蘸過程中施以較大的壓力容易將其壓裂，同時細小的凸點在此過程中容易壓變形，所以盡量使用比較低的貼裝壓力，一般要求在150g左右，對于超薄形芯片如0.3mm，有時甚至要求貼裝壓力控制在35g。

6.3 助焊劑的選擇

助焊劑應用單元是控制助焊劑浸蘸工藝的重要部分，其工作的基本原理就是要獲得設定厚度的穩定的助焊劑薄 膜，以便于器件各焊球蘸取的助焊劑的量一致。要精確穩定的控制助焊劑薄膜的厚度，同時滿足高速浸蘸的要求，該助焊劑應用單元必須滿足以下要求：

1. 可以滿足多枚器件同時浸蘸助焊劑（如同時浸蘸 4 或 7 枚）提高產量；

2. 助焊劑用單元應該簡單、易操作、易控制、易清潔；

3. 可以處理很廣泛的助焊劑或錫膏，適合浸蘸工藝的 助焊劑粘度范圍較寬，對于較稀和較粘的助焊劑都要能處理，而且獲得的膜厚要均勻；

4. 蘸取工藝可以精確控制， 浸蘸的工藝參數因材料的不同而會有差異， 所以浸蘸過程工藝參數必須可以單獨控制，如往下的加速度、壓力、停留時間、向上的加速度等

圖13 蘸助焊劑

下圖是Newport MRSI705 貼片機機器參數

圖14 Newport MRSI705貼片機機器參數

7 底部填充

倒裝芯片組裝焊接完成后，需要在器件底部和基板之間填充一種膠（一般為環氧樹脂材料）。底部填充分為“毛細流動原理”的流動性和非流動性（No-follow）底部填充。在倒裝芯片中，熱應力的主要來源是硅基芯片和有機基板的熱膨脹系數差異。硅基芯片CTE一般是2.5到6ppm/℃，而一般FR4型號的有機PCB板的CTE是18到24 ppm/℃。因此，當芯片受熱時，焊點兩邊芯片和基板的膨脹變形不均勻，產生內應力，易使焊點脫落或斷裂。底部填充膠的發明便是為了解決這一問題，使低成本和低介電常數的有機PCB板得以應用于倒裝芯片中。加入了底部填充膠后，熱應力就不再集中在焊點上，而是分散在芯片，底部填充膠和基板中。實驗表明，底部填充膠能將焊點上的應力減少至0.1到0.25倍，并延長10到100倍疲勞壽命。此外，底部填充膠還能對焊點進行保護。減少外部環境的機械沖擊。因此，底部填充膠稱為了倒裝芯片技術中不可或缺的組成部分，近年來無論是加工工藝還是材料組成都有很大的發展，使其可靠性進一步提升。

7.1底部填充工藝

底部填充工藝分為流動填充和非流動填充。傳統的流動填充如下圖10，先在基板上分配助溶劑，再將已沉積好凸塊的芯片倒置再基板上，通過回流焊技術將芯片與基板相連，并噴灑清理溶劑去除剩余的助溶劑。當芯片與基板組裝后，底部填充膠由毛細現象填入芯片與基板之間的空隙中。最后通過加熱使底部填充膠固化，完成封裝。

圖15 流入底部填充工藝

非流動填充工藝如圖11，先將底部填充膠涂在基板上，再將芯片倒置與其上并同時完成焊接和固化。這種新穎的非流動加工方式去除了加助溶劑與清理助溶劑兩道工序。避免了毛細填充法流動慢的弊端，而且將回流焊和固化結合在一步中，大大提升了加工效率。由于非流動底部填充的發展，倒裝芯片工藝得以進一步使用表面組裝技術。

圖16 非流動底部填充技術

7.2填充關鍵工藝

在底部填充過程中要控制好三個關鍵工藝。1）填充量，填充不足熱應力導致芯片開裂。過多的填充又會溢流到芯片底部以外。填充取決于填充空間的精確計算以及填充工具的精度。。2）填充溫度，預熱，加熱以及填充后的加熱對其流動性有很大影響，根據不同的膠水性能，填充膠量控制摸索適合的溫度參數。3）填充方法，從一邊填充會導致流動過長，從兩邊填充會導致內部產生氣孔。所以不同的填充方式都有不同的工藝參數。

 

8檢查

對完成底部填充以后產品的檢查有非破壞性檢查和破壞性檢查，非破壞性的檢查有

1）  利用光學顯微鏡進行外觀檢查，譬如檢查填料在器件側面爬升的情況，是否形成良好的邊緣圓角，器件表面是否有臟污等

圖17 MIL-STD-883對芯片外觀要求標準

圖18 外觀不良器件圖片

2）  利用 X 射線檢查儀檢查焊點是否短路，開路，偏移，潤濕情況，焊點內空洞等

圖19 芯片X-ray圖片

3） 電氣測試（導通測試） ，可以測試電氣聯結是否有 問題。對于一些采用菊花鏈設計的測試板，通過通斷測試還可以確定焊點失效的位置

圖20 探針臺Prober

4）利用超聲波掃描顯微鏡（ C-SAM ）檢查底部填充后其中是否有空洞、分層，流動是否完整破壞性的檢查可以對焊點或底部填料進行切片，結合光學顯微鏡，金相顯微鏡或電子掃描顯微鏡和能

圖21 C-SAM圖片

5）譜分析儀 （ SEM/EDX ） ，檢查焊點的微觀結構，例如，微裂紋 / 微 孔，錫結晶，金屬間化合物，焊接及潤濕情況，底部填充 是否有空洞、裂紋、分層、流動是否完整等。

圖22 SEM/EDX 界面圖片

6）切片分析（ cross section）

切片（cross section)是用特制液態樹脂將樣品包裹固封，然后進行研磨拋光的一種制樣方法，檢測流程包括取樣、固封、研磨、拋光、最后提供形貌照片、開裂分層大小判斷或尺寸等數據。目的：電子元器件表面及內部缺陷檢查及SMT制程改善&驗證。 適用范圍：適用于電子元器件結構剖析，PCBA焊接缺陷，焊點上錫形態及缺陷檢測等

圖23 切片分析圖

 

7）紅外顯微鏡觀測，由于純硅片對于其吸收限1.06um以上波長的紅外線是透明的，因此在紅外顯微鏡下可以透過倒裝芯片觀測到正面器件版圖以及焊接凸點。如下圖觀測方法。

圖24 倒裝芯片中紅外顯微鏡觀測實驗裝置示意圖

紅外顯微鏡采用焦平面陣列探測器，能探測0.8um~2.4um波長范圍內的紅外線，同時，為了控制進入探測器的紅外線波長范圍，在探測器前放=有一個濾光片，可以選擇使用不同中心波長的濾光片，以得到最佳的圖像質量。如下圖為紅外顯微鏡下測倒裝芯片中鋁腐蝕模式

圖25 紅外顯微鏡下測倒裝芯片中鋁腐蝕模式

 

完成回流焊接及底部填充工藝后的產品常見缺陷有：焊點橋連 / 開路、焊點潤濕不良、焊點空洞 /氣泡、焊點開 裂/脆裂、底部填料和芯片分層和芯片破裂等。對于底部填充是否完整，填料內是否出現空洞，裂紋和分層現象，需要超聲波掃描顯微鏡（ C-SAM ）或通過與芯片底面平行的 切片（ Flatsection ）結合顯微鏡才能觀察到，這給檢查此 類缺陷增加了難度。底部填充材料和芯片之間的分層往往發生在應力最大 器件的四個角落處或填料與焊點的界面

總結：倒裝芯片在產品成本，性能及滿足高密度封裝等方面 體現出優勢，它的應用也漸漸成為主流。由于倒裝芯片的 尺寸小，要保證高精度高產量高重復性，這給我們傳統的設備及工藝帶來了挑戰，具體表現在以下幾個方面：

1. 基板（硬板或軟板）的設計方面；

2 ．組裝及檢查設備方面；

3 ．制造工藝 ,芯片的植球工藝， PCB 的制造工藝， SMT 工藝；

4 ．材料的兼容性圖11 助焊劑浸蘸工藝

全面了解以上問題是成功進行倒裝芯片組裝工藝的基礎