【正文】 與電子封裝中心 2023/1/13 Prof. Wu Fengshun, 54 釘頭凸點導電膠連接技術 華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心 2023/1/13 Prof. Wu Fengshun, 55 倒裝芯片失效原因 —— 魚骨圖 華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心 2023/1/13 Prof. Wu Fengshun, 56 第二部分 凸點及其制作 華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心 2023/1/13 Prof. Wu Fengshun, 57 凸點的制作 UBM 凸點形成 華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心 2023/1/13 Prof. Wu Fengshun, 58 對 UBM的要求－ 01 ? 必須與焊區(qū)金屬以及圓片鈍化層有牢固的結合力： Al是最常見的 IC金屬化金屬，典型的鈍化材料為氮化物、氧化物以及聚酰亞胺 。 比較 華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心 2023/1/13 Prof. Wu Fengshun, 50 采用導電膠連接的倒裝技術要求在焊盤上形成導電凸點，最適宜的凸點材料為金。 各向同性導電膠 是一種膏狀的高分子樹脂，加入了一定含量的導電顆粒，因此在各個方向上都可以導電。 華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心 2023/1/13 Prof. Wu Fengshun, 45 熱聲倒裝芯片連接的優(yōu)點 ? 工藝簡單 ? 擴大了連接材料的選擇范圍 ? 降低加工溫度、減小壓力、縮短時間 華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心 2023/1/13 Prof. Wu Fengshun, 46 倒裝芯片工藝 — 通過粘膠連接 導電膠連接是取代鉛錫焊料連接的可行方法，導電膠連接既保持了封裝結構的輕薄，成本也沒有顯著增加。因此，如果在熱循環(huán)中應力沒有超過凸點與焊盤之間的連接強度，那么可靠性不會存在太大問題。熱聲倒裝芯片連接的缺點是可能在硅片上形成小的凹坑，這主要是由于超聲震動過強造成的。 生產問題 華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心 2023/1/13 Prof. Wu Fengshun, 41 GaAs器件的熱壓倒裝芯片連接工藝參數(shù)曲線 工藝參數(shù)曲線 華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心 2023/1/13 Prof. Wu Fengshun, 42 倒裝芯片工藝 — 通過熱聲焊接 熱聲倒裝芯片連接是將超聲波應用在熱壓連接中，這樣可以使得焊接過程更加快速。 可靠性 華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心 2023/1/13 Prof. Wu Fengshun, 40 倒裝芯片的連接頭應該能夠產生 300176。 連接區(qū)的裂紋多是在從連接溫度冷卻下來的過程中產生的 。由于壓力較大，溫度也較高，這種工藝僅適用于剛性基底，如氧化鋁或硅。 C。另外，基板應該非常平整。該工藝要求芯片或者基板上的凸點為金凸點，同時還要有一個可與凸點連接的表面，如金或鋁。 清洗 ： 焊劑殘留。 華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心 2023/1/13 Prof. Wu Fengshun, 22 不同的倒裝芯片連接方法 1. 焊料焊接 3. 熱聲焊接 4. 粘膠連接 華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心 2023/1/13 Prof. Wu Fengshun, 23 CoffinManson 低周疲勞模型 華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心 2023/1/13 Prof. Wu Fengshun, 24 由此模型可知： ? 更高的焊點高度 ? 更小的晶片 ? 器件與基板的熱膨脹系數(shù) （ Coefficient of Thermal Expansion, CTE） 相配 ? 小的工作溫度變化范圍 要提高可靠性必須要求： 華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心 2023/1/13 Prof. Wu Fengshun, 25 倒裝芯片工藝：通過焊料焊接－ 01 焊料沉積在基板焊盤上： 對于細間距連接，焊料通過電鍍、焊料濺射或者 固體焊料等沉積方法。 ? 提高了散熱熱能力： 倒裝芯片沒有塑封，芯片背面可進行有效的冷卻。一般的倒裝芯片焊盤可達 400個。 華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心 2023/1/13 Prof. Wu Fengshun, 9 優(yōu)點－ 01 ? 小尺寸 : 小的 IC引腳圖形 (只有扁平封裝的 5％）減小了高度和重量。 2. Philoc－ ford等公司制作出 Ag－ Sn凸點 3. Fairchield—— Al凸點 4. Amelco—— Au凸點 5. 目前全世界的倒裝芯片消耗量超過年 60萬片，且以約 50％的速度增長， 3％的圓片用于倒裝芯片凸點。 倒裝芯片元件是主要用于半導體設備；而有些元件，如無源濾波器，探測天線，存儲器裝備也開始使用倒裝芯片技術，由于芯片直接通過凸點直接連接基板和載體上，因此，更確切的說，倒裝芯片也叫 DCA （ Direct Chip Attach ）。而導線鍵合是將芯片的面朝上。后來制作PbSn凸點，使用可控塌焊連接（ Controlled collapse Component Connection, C4），無銅球包圍。今天倒裝芯片廣泛用于電子表，手機，便攜機 ，磁盤、耳機， LCD以及大型機等各種電子產品上。面陣列使得在更小的空間里進行更多信號、功率以及電源等地互連。 倒裝芯片可減少三分之二的互連引腳數(shù)。而最終差別就是使用底部填充與否。 華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心 2023/1/13 Prof. Wu Fengshun, 26 回流焊接： 芯片凸點放置于沉積了焊膏或者焊劑的焊盤上，整個 基板浸入再流焊爐。 倒裝芯片工藝：通過焊料焊接 － 02 華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心 2023/1/13 Prof. Wu Fengshun, 27 步驟示意圖 華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心 2023/1/13 Prof. Wu Fengshun, 28 底部填充示意圖 華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心 2023/1/13 Prof. Wu Fengshun, 29 倒裝芯片工藝－通過熱壓焊接 在熱壓連接工藝中，芯片的凸點是通過加熱、加壓的方法連接到基板的焊盤上。 華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心 2023/1/13 Prof. Wu Fengshun, 30 熱壓和熱聲倒裝芯片連接原理示意圖 熱壓與熱聲倒裝芯片示意圖 華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心 2023/1/13 Prof. Wu Fengshun, 31 基板金屬化 基板上的焊盤必須進行適當?shù)亟饘倩?，例如鍍金，以便于實現(xiàn)連接。凸點形成過程中，晶圓或者基板應該預熱到 150～ 200176。這些方法的優(yōu)點是： ? 簡單，無需使用焊劑 ? 工藝溫度低 ? 可以實現(xiàn)細間距連接 華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心 2023/1/13 Prof. Wu Fengshun, 37 若干問題 對于直徑為 80mm的凸點， 熱壓壓力可以達到 1N。 華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心 2023/1/13 Prof. Wu Fengshun, 38 與一般的焊點連接一樣 ， 熱壓倒裝芯片連接的可靠性也要受到基板與芯片的熱膨脹系數(shù) (CTE)失配的影響 ， 此外焊點的高度 、 焊點之間的最大間距亦會對可靠性造成影響 。 芯片與基底之間的底部填充材料使連接抵抗熱疲勞的性能顯著提高，如果沒有底部填充，則熱疲勞將是倒裝芯片主要的可靠性問題。另外，連接壓力和溫度應該盡可能低，以免芯片和基板損壞。熱聲連接的優(yōu)點是可以降低連接溫度，縮短加工處理的時間。 由于金的熔點溫度高，因此它對疲勞損傷的敏感程度遠小于焊料。該工藝需要將壓力、溫度、超聲震動、平整性等綜合起來考慮，因此整個系統(tǒng)的設計非常復雜。金屬顆?；蚋叻肿宇w粒外的金屬涂層一般為金或者鎳。從理論上說，非導電膠粘接的可靠性非常高，因為它使連接表面積減小到最低限度，但實際上它的可靠性并不高，而且對某些工藝條件的要求比導電膠連接更加苛刻。 加熱 華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心 2023/1/13 Prof. Wu Fengshun, 53 總體上說，導電膠的導電性能也比鉛錫焊料差，各向同性導電膠倒裝芯片連接點的電阻為幾毫歐，而電感、電容的數(shù)值則沒有文獻報道過。 華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心 2023/1/13 Prof. Wu Fengshun, 60 ? 氧化阻擋層 ：為保證很好的可焊性，要防止 UBM在凸點的形成過程中氧化。 典型厚度 :15 mm。 ? UBM的結構也影響它與焊區(qū)金屬、它與凸點之間的可靠性。如果 Cu被消耗完畢，焊料將與焊區(qū)不潤濕。 ? 化學鍍 :采用化學鍍的方法在 Al焊盤上選擇性地鍍 Ni。鎳的擴散率非常小，與焊料也幾乎不發(fā)生反應，它僅與錫有緩慢的反應，因此非常適合作為共晶焊料的 UBM金屬。 華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心 2023/1/13 Prof. Wu Fengshun, 71 化學鍍鎳特點 —— 02 ? 鍍鎳之后，還要在鎳上鍍一層厚度為 mm 的金，它主要是防止鎳發(fā)生氧化，以保持它的可焊性。 華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心 2023/1/13 Prof. Wu Fengshun, 73 鋅酸鹽處理 (Zincation) 該技術是在鋁的表面沉積一層鋅，以防止鋁發(fā)生氧化，該技術的反應原理如下： 華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心 2023/1/13 Prof. Wu Fengshun, 74 鋅酸鹽處理步驟 ? 清洗：清理鋁表面的輕度污染，通常采用堿性清洗劑。 第一輪鍍錫往往形成一層粗糙的鋅層，其顆粒尺寸從 34 mm到小于 1 mm不等 ，這樣的表面使隨后的鍍鎳層也非常粗糙。 在鍍鋅過程中，鋅沉積在鋁表面，而同時鋁及氧化鋁層則被腐蝕掉。 華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心 2023/1/13 Prof. Wu Fengshun, 81 其它鋁焊盤處理技術－ 01 鈀活化工藝： 該工藝是在鋁上鍍一層鈀。 華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心 2023/1/13 Prof. Wu Fengshun, 82 其它鋁焊盤處理技術－ 02 鎳置換工藝： 鎳置換工藝是指用置換鍍槽中的鎳離子置換鋁，從而實現(xiàn)對鋁表面的預處理。 ? 自中心作用減小了對芯片貼放的精度要求。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。 華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心 2023/1/13 Prof. Wu Fengshun, 90 步驟－ 02 UBM蒸鍍（ b） ：然后按順序蒸鍍 Cr層、 CrCu層、 Cu層以及 Au層。這是因為高鉛焊料在 300176。 華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心 2023/1/13 Prof. Wu Fengshun, 92 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。而且潤濕銅層要厚。 UBM沉積： 典型的 UBM材料層為： TiW－ Cu－ Au ，濺射到整個硅片上。 當凸點形成之后，掩模被剝離（ e）。C. ? The effective bump pitch for peripheral array周邊分布有效凸點間距： 125 mm. 華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心 2023/1/13 Prof. Wu Fengshun, 99 Process Specification工藝參數(shù) ? Photoresist Thickness 光刻膠厚度 : 40~100 mm ? Bump Material凸點材料 : 63Sn/37Pb ? Bump height 凸點高度 : 75~140 mm ? UBM layer凸點下金屬層 : Ti/WCu, CrCu ? Min. effective pitch of bump 最小有效凸點間距 : 125 mm ? I/O array輸入 /輸出分布 : peripheral array周邊分布 and area array面分布 華中科技大學材料學院連接與電子封裝中心 2023/1/13 Prof. Wu Fengshun, 100 Flip Chip on LowCost Substrate Samples Samples with Different Dimensions PCB上不同尺寸倒裝焊樣品 Flip Chi