集成电路封装知识(4)

集成电路封装知识（4）

因为声波是物质波（matter wave），C－SAM技术能够反映X射线成像术无法探测到的封装裂痕。C－SAM的初级声波脉冲频率在15到100兆赫兹，现在，一些用于探测倒扣芯片封装缺陷的C－SAM的频率更高达250兆赫兹以上。C－SAM的空间分辨率在50到400微米之间，取决于许多因素，包括声波显微镜的频率、封装模块的厚度及塑封料对声波的吸收等。

显微镜：显微镜在封装失效分析中十分有用，许多电路中的特征和缺陷度是通过显微镜确定的。显微镜包括一般的光学显微镜和电子显微镜。光学显微镜的放大倍数从低倍、中倍到高倍都很有用，可以用于观测开封后的封装模块芯片表面缺陷，如球焊的浮起，钝化层开裂等。光学显微镜最好可以同时从目镜和显示屏中观察，若带有成像技术（拍照、录象）就更加理想。扫描电子显微镜（SEM）也是十分有用的失效分析工具，它可以用于观察光学显微镜无法清楚反映的问题，并可以把缺陷放大。大部分SEM都附带EDX（energy dispersion X-ray），可用于探测所选区域的材料成分（元素），对于表面沾污、界面分层等的分析很有帮助。透射电子显微镜（TEM）在封装失效分析中也有使用，但并不普遍。

其它分析方法：由于封装工艺中大量使用高分子材料，所以，一些高分子表征手段使用也十分广泛，如DSC（differential scanning calorimetry，差分扫描量热仪）、TMA（thermomechanical analysis，热机械分析）、TGA（thermogravimetric analysis，热重分析）、DMA（dynamic mechanical analysis，动态机械分析）及流变分析等，这些设备可以帮助了解和掌握高分子材料的热性能、机械（力学）性能和流变性能，对于工艺条件的改进是很有帮助的。另外，一些表面分析仪器如SIMS、TOF－SIMS、AES、XPS、FTIR等在封装失效分析中也常常用到，由于在前面各章中已作了专门介绍，在这里就不再重复了。

在器件失效分析中，另一种十分有用的分析方法是剖面分析（cross-section）方法，即将封装模块进行切割，观察其截面情况。为了使剖面分析能真正反映失效的部位及失效模式，切割的位置和剖面制备的方法都很重要。剖面制备的方法可以通过带锯、轮锯等金刚石工具进行切割，然后用研磨、抛光等方法，对截面进行进一步的加工，以使表面更易观察。制备完成的样品可以在光学显微镜、电子显微镜等下面进行进一步的观察和分析，以获取更多的信息。但是，剖面制备过程中，也可能破坏原有的器件结构，使某些失效信息丢失，因此，在进行剖面分析之前，要进行全面的考虑，拟定完整的分析方案。

随着集成电路工艺进入深亚微米时代，以金属铜代替金属铝作为晶圆上互连材料的迫切性越来越大。目前，在0.18微米工艺中，已有一些制造商采用了铜布线，而在0.13微米工艺中，以铜替代铝已是不争的事实。由于封装工艺的金属互连直接与晶圆上的金属互连相接触，并通过它们形成了器件与系统的电通路，因此，晶圆布线材料的变化，将对封装工艺产生深刻的影响。同时，由于芯片的特征尺寸越来越小，对引线键合工艺造成的压力也越来越大，因为要在如此细微的间距中进行引线键合，对于金属引线的尺寸要求和键合方法都是一种考验。因此，采用新的互连方法是唯一的选择。倒装（flip chip）焊或倒扣技术就是一个十分吸引人的选择。所谓的倒扣芯片封装技术，就是将集成电路芯片的有源区面向基板的互连形式。所以，无论是引线键合还是凸缘键合，只要其芯片有源区面向基板，都称为倒扣芯片技术。从目前国际上对于倒扣芯片封装工艺的研究和应用情况来看，高互连密度、高性能器件的倒扣芯片封装技术，普遍采用以IBM C4技术为基本工艺，并加以一定的改进。这种技术的特点是可以达到相当高的互连密度，若同时采用陶瓷封装工艺的话，其器件的可靠性也很高，但它的价格亦十分昂贵，所以，它主要应用于航天航空工业及军事方面，以及一些对可靠性有特殊要求的场合。另一方面，在一些可靠性要求并不那么高，芯片的输入/输出端数目也并不太多，但特别强调器件尺寸大小的情况下，在印刷电路板上的直接芯片倒扣封装技术，就显得非常关键，例如在手提电脑、移动通讯等方面。而且，印刷电路板上的芯片直接倒扣封装技术，在应用了底部填充料技术后，其可靠性也有了很大的提高，它在价格方面的优势，使它的应用范围越来越广。所以，倒扣芯片技术也因此可以划分为FCIP（flip chip in packaging）及FCOB（flip chip on board）技术。无论哪一种技术，其关键是芯片上凸缘（bump）的制备。

IBM 的C4（controlled-collapse chip connection）技术是在1965年发展起来的，并成为IBM System/360系列计算机的逻辑基础。C4技术的凸缘制备主要是通过电子束蒸发、溅射等工艺，将UBM（under bump metallurgy）或BLM（ball limiting metallurgy）沉积在芯片的铝焊盘上。UBM一般有三层，分别为铬/铬－铜（50-50）/铜，这个结构可以保证凸缘与铝焊盘的粘结性并防止金属间的互扩散。在UBM的上面，还有一层很薄的金层，主要是防止金属铜的氧化。凸缘的成分是铅锡合金，根据不同的应用要求可以选用低共熔化合物或其它的组分。IBM常用的组分是

5wt%Sn/95wt%Pb，它的熔点分别为308℃（solid）和312℃（liquid）或3wt%Sn/97wt%Pb它的熔点分别为314℃（solid）和320℃（liquid）。IBM的基板是陶瓷基板，所以可以忍受超过300℃

的回流温度。由于IBM的C4技术工艺复杂、设备昂贵，所以长期以来，其应用都局限在一些高性能、高要求、高成本的场合。

经过改进的C4工艺，采用了电镀铜层和焊料层的方法，大大降低了成本，使得倒装焊技术的应用，有了较大的发展。从上面的描述中可以看出，以前在做bumping工艺时，都是在已经做完周边布线的晶圆上，再制备UBM、金属铜层和焊料层，工艺复杂而且本较高。若晶圆上互连改为金属铜，则在设计阶段，就可以考虑后道封装的要求，将周边布线改为面栅阵列（area grid array），同时可以取消UBM工艺及金属铜层的制备，大大减少了工艺步骤，使倒装焊技术得以加快推广的步伐。因此，铜工艺不但将带来芯片制造工艺方面的变化，而且也将对封装工艺带来极大的冲击，引起封装技术和系统连接技术的大变革。