声表面波器件工艺原理-9倒装焊工艺原理

九，声表器件倒装焊工艺原理

序：倒装芯片（FC）技术，是在芯片的焊接区金属上制作凸焊点，然后将芯片倒扣在

外壳基座上，以实现机械性能和电性能的连接，由于FC是通过凸焊点直接与底座相连，因此与其它互连技术相比，FC具有最高的封装密度、最小的封装尺寸（线焊可焊的最小陶瓷外壳为3×3mm，而FC可以作到芯片级）、最好的高频性能（电感小）、最小的高度、最轻的重量，以及产品高可靠、生产高工效等。倒装焊工艺：主要由UBM的形成、凸点的制作、倒装焊接三部分组成。

（一）UBM的形成：

当凸焊点材料与芯片上的焊接区金属不能很好浸润粘附时（或接触电阻大，或热匹配差，或两种材料间易形成会导致键合强度降低的金属间化合物），需要在凸焊点与芯片压焊块之间置入一层既能与芯片焊接区金属良好粘附、又能与凸焊点良好浸润、还能有效阻挡两者之间相互反应扩散的金属膜（UBM），因我们无法找到可同时满足上述要求的材料，所以通常UBM由多层金属膜组成。（说明：与凸点连接的还有底座上相应的焊接点，由于在底座制作时该部位已镀有多层金属，能满足要求，固在此不于讨论。）

1，对UBM的各层要求及材料选择：

1）粘附层：要求与铝膜及钝化层间的粘附性好，低阻接触，热膨涨系数接近，热应力小。常选用材料有：Cr、Ti、Ti-W、Al、V等，因它们与Al浸润性很好，固该层可较薄。2）扩散阻挡层：能有效阻挡凸焊点材料与铝间的相互扩散，以免形成不利的金属间化合物，特别是金凸焊点，在高温下与铝可生成Al2Au、AlAu、AlAu2、Al2Au5等脆性金属间化合物及在接触处相互扩散形成空洞，导致键合强度降低甚至失效。该层常用材料有：Ti、Ni、Cu、Pd、Pt、Ti-W等。（当用软焊料如PbSn作凸点时，由于其回流时会吃掉浸润层，直接与阻挡层接触；此时阻挡层应足够厚，且与凸点相浸润，不反应产生有害物）

3）浸润层：要求一方面能和凸焊点材料良好浸润，可焊性好，且不会形成不利于键合

的金属间化合物；另一方面还能保护粘附层和阻挡层金属不被氧化、粘污。该层常选用薄的金膜、金的合金膜或较厚的铜膜（用于焊料凸焊点）。

2，UBM的制作：

1）UBM的组合选择：对于金凸焊点，常选用的UBM为：Cr/Ni/Au、Ti/Ni/Au、Ti/Pt/Au、Ti-W/Au等；对于PbSn凸焊点，常选用的UBM有：Ti-W/Cu、Ti-W/Au/Cu、Cr/Cr-Cu/Cu、Al/Ni-V/Cu、Ti/Cu、Ti-W/Cu/化学镀Ni等。

2）UBM的制作方法：UBM的制作是凸焊点制作的关键工艺，其质量好坏直接影响凸焊点质量、倒装焊接的成功率和封装后凸焊点的可靠性。由于UBM是多层金属，为防止薄膜间形成氧化膜夹层，对UBM的制作基本上都是采用溅射或电子束蒸发，在高真空腔内一次完成（当需要制作厚金属膜时，则采用电镀或化学镀）。为防止多层金属腐蚀时造成凸点脱落，可采用剥离技术（电镀法制凸点除外），既可解决腐蚀不易控制，又可简化工艺，提高芯片凸点可靠性；这对换能器裸露于芯片表面的声表器件尤其适宜。

（二）凸焊点制作：

1，凸焊点常用材料：

要具有电阻率小、延展性好、化学性能稳定等特点，同时凸点（包括UBM）材料还要能承受器件在加工、使用、老化、可靠性实验等过程中所需承受的条件。

1）Au：由于金浸润性好，延展性好，内应力小，接触电阻小，化学性能稳定，因此是

高频、高可靠器件常用的凸点材料。现在已可作节距为20μ，直径为20μ，高为15μ的金凸点。对小尺寸、高密度的金凸点的制作主要是用厚金电镀技术，低密度的金凸点可用金丝球焊切尾制作。目前国内无氰电镀金凸点剪切强度已达11.8 mg/µm2，高度容差±1.4µm（优于美国公司标准：剪切强度>8.7mg/µm2，高度容差：管芯内±1.5µm，圆片内±2.5µm）。

有资料介绍，在有金参与的金属化系统中，Ti、Ni、Cr、Al不能与金直接接触，因为前三种金属与金接触时，在350-450℃烘焙数分钟其电阻就大大增加，而Al与Au在200℃以上易生成不利于键合的金属间化合物。可作Ti、Ni、Cr与Au阻挡层的材料有Pd、Pt、Mo、W、Cu，通常用Mo或W。提醒选材时予以注意。

2）Pb-Sn合金：属软焊料。由于现阶段开发的无铅焊料仍存在浸润性差、熔点高、成本高、一些技术参数还难以实现等问题，因此Pb/Sn目前仍作为凸点材料使用。铅锡焊球成分种类较多，主要分为用于陶瓷基板的高温高铅焊料如95Pb5Sn、97Pb3Sn（熔点为314-320℃），和用于有机基板的低温焊料如37Pb63Sn，熔点为183℃，其凸点剪切力> 3.1mg/µm2。由于铅锡焊球体形较大（直径85-200μ），常采用电镀、模板印刷等法制作。铅锡合金的缺点是：有容易形成晶须和热疲劳等可靠性问题（为提高焊料的抗热疲劳性，常在PbSn中加入少量的Ag或In）；另外，PbSn在熔化状态易与金膜融解形成合金，会使结合质量产生隐患。（有资料介绍，Au在PbSn中含量超过4%、Al在PbSn中含量超过0.001%，即会生成脆性金属间化合物）

3）其它：

* In：铟是低熔点（156℃）软焊料，应力小，有良好的塑性形变和浸润性。采用蒸发- 剥离工艺制作的铟凸点均匀性好，工艺简单，UBM和凸点的制作可在镀膜机内一气哈成（在铟、铝之间仅须蒸发一层几千埃的钛即可）。缺点是In易氧化，剪切力较低，有容易形成晶须和热疲劳等可靠性问题，及In价格昂贵等。

* Au/Sn合金：属硬焊料，无须助焊剂，有优良的物理和化学性能；具有浸润好，导热、导电性好，强度高等优点。Au-Sn凸点常采用电镀-回流工艺制作（回流处理气氛：N2/H2（95/5），温度：300-325℃），Au-Sn（80/20）共熔合金的金相结构是在回流过程或焊接过程中锡、金反应形成，其凸点剪切力是铟凸点和铅锡凸点的两倍。

* 可作为凸点材料的还有：Al、SnAgCu、SnAg、SnCu、SnZn、SnCuNi等，我们须根据对器件性能的要求、对工艺的要求、以及对成本、效率的要求等，综合考虑选择。

* 说明：由于以上资料选自不同文章，难免有相互矛盾之处，如：“Ti、Ni、Cr、Al不能与金直接接触”与“对于金凸焊点，常选用的UBM为：Cr/Ni/Au、Ti/Ni/Au”即相矛盾。因此在对一些材料选用时，要注意重实验、重实践。

2，凸焊点的制作方法：

常用方法有：电镀、化学镀、蒸发、模板（丝网）印制、植球等。

1）电镀法：是最常用的方法，占市场份额80%。优点是可以作到小的节距（25µ），且

一致性好，质量稳定；缺点是费时费工。目前还不是所有的焊料都可电镀。下面结合声表器件工艺进行讨论：

a）电镀法制金凸点：由于声表器件换能

器裸露于芯片表面，不便于像IC那样用钝化

层保护，在此采用光刻胶保护、隔离。

* 涂光刻胶0.5μm左右，光刻UBM窗口。

* 用溅射或电子束镀膜先后镀Ti、W

各1500A°（镀前用等离子体打胶底膜）。

* 涂厚光刻胶（SU-8光刻胶，厚20-30µ，

胶要高于所需凸点的高度，侧壁要陡直，侧壁

角>85°）；光刻出电镀窗口。

* 电镀厚金12-20µ（镀前要用等离子体打

底膜）。

* 去厚胶, 剥离出金凸点。依次腐蚀清除