03 3 倒装芯片技术 2

第三章
元器件的互连封装技术
FC工艺方案
底部填充工艺
相关问题分析
第三节
倒装芯片技术
五、不同的倒装芯片焊接方式
*凸点与基板焊接式连接：
*高温焊料凸点+低温焊料（再流倒装焊）
*焊料凸点（再流倒装焊）
*金凸点（热压、热声键合）
*凸点与基板接触式连接：
*金或金镍凸点（各项同性导电胶互连）
*金或金镍凸点（各项异性导电胶互连）
*金或金镍凸点（非导电胶互连）
不同的倒装芯片连接方法1.焊料连接
2.热压连接
3.热超声连接
4.再流焊
5.导电胶连接倒装焊互连基板的金属焊区要求：焊区与芯片凸点金属具有良好的浸润性；
基板焊区：Ag/Pd、Au、Cu(厚膜）
Au、Ni、Cu（薄膜）
5.1 FC工艺－焊料连接
焊料沉积在基板焊盘上：对于细间距连接，焊料可以通过电镀、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。

5.1 FC工艺－焊料连接
回流焊接：
芯片凸点放置于沉积了焊膏或者焊剂的焊盘上，整个基板浸入回流炉。

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。

步骤示意
图
5.1 FC工艺－焊料连接
5.2 FC工艺－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 ℃ 左右，这样才能使材料充分软化，同时促进连接过程中的扩散作用。

热压和热声倒装芯片连接原理示意图
5.2 FC工艺－热压与热声焊接
使用倒装焊机完成对硬凸点的芯片连接，压焊头可加热并带有超声，同时承片台也需要加热，所加温度、压力和时间与凸点的金属材料、凸点尺寸有关。

硬凸点：Au、Ni/Au、Cu、Cu/Pb-Sn凸点
5.3 FC工艺－热超声连接
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。

热超声倒装键合工艺流程可以分为5个步骤： 芯片拾取
芯片与基板对准
施加键合力
施加超声波
键合头复位
5.4 再流焊FC技术（C4技术）
将做好凸点的芯片与基板上的焊区对应键合在一起。

对于低熔点的凸点，一般采用该方法，即在对准以后加热，使焊料融化，冷却后形成牢固的电气机械互连。

是目前国际最流行、且具有发展潜力的FCB技术。

技术特点：
可于多种基板互连；
不同熔点，可弥补基板缺陷；
Pb/Sn焊料熔化再流，自对准效应，对精度要求降低；
可采用SMT设备，达到规模化生产。

自对准效应
C4焊点典型界面
5.5 FC工艺－导电胶连接
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
各向同性、各向异性导电胶
各向异性导电胶（Anisotropic Conductive Adhesive，ACA）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（Isotropic Conductive Adhesive，ICA）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。

导电胶连接示意图
各项同性导电胶互连示意图
*加压使导电粒子变形，实现上下凸点的电互联，其他区域的粒子互不接触，故横向不导通。

*芯片与基板整体被ACA的高分子聚合物（树脂）固化，实现电子
封装的机械支撑和散热。

电和热性能
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，最终将形成不导电连接。

加热影响：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。

导电性能：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。

钉头凸点导电胶连接技术
六、底部填充
底部填充的作用
Si的CTE为2.8ppm/ ℃、FR4的为15.8ppm/ ℃ ，在功率循环与热循环工作中，CTE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。

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。

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（no flow）
较新填充方式：芯片焊接前填充（C.P.Wong乔治亚理工大学）
常用填充方法
填充时，将倒装芯片与基板加热到70至75 ℃，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130 ℃左右的固化温度后，保持3到4h即可达完全固化。

毛细作用！
底部填充的流动行为
*毛细流动（Capillary Flow ）
*注射流动（Injection Flow ）
*压缩流动（Compression flow ）*非流动（no-flow）
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 放射高以及粘滞性高，填料粒子尺寸大于倒装芯片与基板的间隙。

填料要符合以下要求：
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。

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。

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。

底部填充设备
底部填充设备
组装设备
含额外的焊剂涂覆单元的倒装芯片组装设备
七、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：
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)，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。

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。

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。

周边焊盘阵列的最小间距为200 μm，而面阵列焊盘的最小间距可为250 μ m 。

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
生产问题
倒装芯片的连接头能够产生300℃ 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。

连接压力和温度应该尽可能低，以免芯片和基板损坏。

对于直径为80μm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。

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。

可靠性
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。

UBM
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1-2 m m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。

加热
如果没有底部填充，建议最高连接温度为140 ℃ 到150 ℃。

一个凸点的热阻为1000 -1500 ℃ /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。

速度
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0.025 nH，远小于引线键合中的5 ～10 nH。

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。

电性能
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
可靠性
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。

热疲劳
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。