倒装芯片与表面贴装工艺

黄强（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏 无锡 214035）1引言

蜂窝电话，个人数码助理机(PDA)，数码相机等各种消费类电子产品已逐渐变得更小，反应更为迅速，同时智能化的程度也越来越高。因而，电子封装及组装工艺必须跟上这一快速发展的步伐。随着材料性能、设备及工艺水平的不断提高，使得越来越多的电子制造服务公司(EMS)不再满足于常规的表面贴装工艺(SMT)，而不断尝试使用新型的组装工艺，这其中就包括倒装芯片(FC)。

为满足市场对提供“全方位解决方案”的需求，EMS公司与半导体封装公司不论在技术还是在业务上都有着逐步靠拢相互重叠的趋势，但这对双方均存在不小的挑战。当电子产品从板上组装向元件组装(如FCBGA或SIP)转变时，将会产生许多全新的问题，其中包括互连时产生的应力，材料的不相容，加工工艺等的变化。

不管你是否打算在新产品中使用FC技术或者你正在考虑选择使用FC技术的最佳时机，都有必要了解FC技术并充分认识使用该技术可能带来的各种问题。

2FC技术简介

FC是指将芯片与基板直接安装互连的一种方法。与另两种已得到广泛应用的芯片级互连方法WB和TAB相比，FC的芯片正面朝下，芯片上的焊区直接与基板上的焊区互连。与此同时，FC不仅仅是一种高密度芯片互连技术，它还是一种理想的芯片粘接技术，也正因为如此，FC在PGA，BGA和CSP中都得到了广泛的应用。由于FC的互连线非常短，而且I／O引出端分布于整个芯片表面，同时FC也适合使用SMT的技术手段来进行批量化的生产，因此FC将是封装以及高密度组装技术的最终发展方向。

严格地讲，FC并不是一项新的技术，早在1964年，为克服手工键合可靠性差和生产率低的缺点，IBM公司在其360系统中的固态逻辑技术(SLT)混合组件中首次使用了该项技术。但从上世纪60年代直至80年代一直都未能取得重大的突破。直至近十年随着在材料、设备以及加工工艺等各方面的不断发展，同时随着电子产品小型化、高速度、多功能趋势的日益增强，FC又再次得到了人们的广泛关注。

FC自IBM的贝尔实验室首次开发至今已有40余年的历史，种类已有很多。如基板可选择陶瓷或PCR凸点又可分为焊料凸点以及非焊料凸点两大类，而非焊料凸点又包括金凸点和聚合物凸戍焊料凸点的制备可采用电镀法、蒸发／溅射法、喷射凸点法等。不同种类的FC都有其各自的优点和不足，其中焊料凸点倒装芯片或称可控塌陷芯片(C4)技术由于可采用SMT在PCB上直接贴装并倒装焊，可以实现FC制造工艺与SMT的有效结合，因而已成为当前国际上最为流行且最具发展潜力的FC技术，这也正是本文所主要讨论的内容。

C4技术最早是采用与硅的CTE相近的陶瓷作为基板材料。然而，由于陶瓷的价格较高，同时介电常数过高，容易导致信号的延迟，此时有机的PCB基板开始进入人们的视野。但PCB与硅的CTE差别过大，温度循环时很容易因过大的内应力造成焊接点的疲劳破坏。因此，直到上世纪八十年代，即在下填充技术发明之前，FC一直没实现实用化。

使用下填充料后焊点的疲劳寿命提高了10~100倍，然而，一方面填充的过程很费时间，另一方面也给返修带来了一定的困难，这已成为当前研究下填充技术的两个重要方向。除上述的下填充技术以外，芯片上“重新布线层”的制备以及与现有SMT设备的兼容问题是影响FC推广应用的两个关键。

3焊料凸点倒装芯片工艺

典型的焊料凸点FC的工艺流程如图1所示，包括以下几个主要工艺步骤：涂覆焊料，放置芯片，回流焊和下填充。

为了提高产品的成品率，还必须对其它相关的规范和技术要求有一个透彻的理解。设计时首先必须考虑焊料球和焊球下金属化层(UBM)的结构，其目的是尽可能地减少由于芯片与基板互连时造成的内应力。根据已有的可靠性模型，如果设计合理的话，只会在焊料球的内部发生失效，可通过正确设计焊盘的结构、钝化层／聚酰亚胺的开口以及UMB的结构来实现。钝化层的开口应起到减小电流密度、减少应力集中区域的密度、提高电迁移的时间以及尽可能增大UMB和焊料球的横截面积。

焊料球的排布是设计时另一个需重点考虑的问题。除用来标明方向以外，所有焊料球的分布应尽可能地对称，同时还要考虑不会对后序的划片造成影响。除此以外，IC的其它设计准则同样也必须遵守，与此同时，为确保焊料球以及最终焊接后的质量，焊料球公司制定的一系列相应的规定也同样应当遵守。

电路板设计时须考虑的因素包括金属焊盘的尺寸以及焊料球开口的设计。首先，为增大结点的强度，应尽可能增大电路板上金属焊盘的面积，但同时必须与UMB的大小相匹配。这样将有利于形成一个对称的互连结构，从而防止在互连的一端产生过高的应力。实际上，板上焊盘的尺寸略小于UMB将使得应力偏向于电路板一边而不是强度较弱的IC一侧。通过设计掩膜开口尺寸的划、可起到控制焊料球在电路板上浸润尺寸大小的作用。如果设计不合理的话，电路板由于温度循环或机械冲击时，焊料球在靠近IC一侧很容易产生疲劳断裂。尽管下填料的加入可有效提高互联的可靠性，但如果没有严格遵循相关设计规范的话，相同类型的失效还会发生。

4焊料凸点

焊料凸点不仅起到了IC和电路板机械互连的作用，同时为两者提供了电和热的通道。在一个典型的FC器件中，芯片上的凸点由UBM和焊料球两部分组成，如图2所示。UBM是焊盘和焊球之间的金属过渡层，位于圆片钝化层的上部。作为焊料球的基底，UBM与圆片上的金属化层有着非常好的粘附特性，与焊料球之间也有着良好的润湿特性。UBM在焊料球与IC金属焊盘之间作为焊料的扩散层，同时UBM作为氧化阻挡层还起着保护芯片的作用。

芯片凸点的制备方法有多种，可通过蒸发法使用掩膜板或光刻工艺在圆片上形成UBM阻挡层，随后在其上蒸发Sn-Pb合金焊料球，通过回流焊工艺形成球形的焊料球。该工艺适用高铅含量的焊料球的制备，配合使用陶瓷基板则适合高温条件下的使用。当使用有机基板时，则要求使用共晶焊料。目前，低成本的焊球制备工艺，如电镀法或模板印刷法己得到了更为广泛的应用。其它合金焊料，包括高铅焊料、无铅焊料、低。辐射焊料也同样得到了较为广泛的应用。

当使用电镀法制备芯片凸点时，UBM通常溅射到整个晶圆的表面，随后涂覆光刻胶，并通过后续的光刻在芯片焊盘处形成开口。通过电镀法在开口处形成焊料，剥去光刻胶，通过腐蚀去除暴露在外的UBM，并通过回流焊形成焊球。凸点高度的一致性对组装后的成品率有着很大的影响。可利用破坏性凸点剪切强度试验来控制制备凸点工艺，大量试验表明，破坏多发生在焊料球处，而在UBM和芯片焊盘处则很少出现破坏。

5助焊剂的涂覆、贴装及回流焊

划片后从贴片环上取下芯片。目前尚没有传递裸芯片元件的工业标准，通常传递元件的方法有华夫式包装，冷凝式包装和长条带式包装。使用的贴装设备必须要与所使用的传递方法相容。华夫式包装适用于小批量或KGD芯片的传递，而长条带式包装则可以与现有的SMT设备很好地兼容，故而适用于大批量生产。

助焊剂的涂覆是FC组装工艺的第一个步骤(见图1)。涂覆助焊剂的方法有很多，包括有喷涂法、点除法、浸渍法和模板印刷法。喷涂法是在贴装元件之前将液体焊剂雾化，并喷淋在贴装位置上。点涂法则是将助焊剂一滴滴点涂在己定位的元件底部。浸渍法使用旋转式涂覆机器，当元件位于焊剂涂覆机工作台时，为定位的方便，可将少量粘性材料沉积到凸点之上，该法适用于中等规模的批量生产。还需指出的是，不论使用那一种方法，所使用的助焊剂材料对涂覆工艺起着非常关键的作用。助焊剂必须具有足够的粘性，良好的润湿性以及尽可能少的残余物。

涂覆助焊剂即进行芯片的拾取和贴装。目前多采用高速的贴装及超高速的定位系统进行。影响贴装的主要因素包括有芯片的拾取，定位的准确性和可重复性，贴装头下压力的大小及时间等。定位的误差通常要求为焊球间距的10％。贴装头的顶部要根据传送类型、芯片的大小、焊料球的排布方式加以选择。为防止对芯片或焊料球造成不必要的损伤，顶部的硬度必须合适。

为减少回流焊之前已贴装好芯片的移动，应尽可能地减少传递和运输。在后序的回流焊工艺中也同样要注意这一点。为保证焊点的质量，对回流焊时炉腔的气氛，工艺曲线要加以严格的控制。主要工艺参数包括有峰值温度，温度超过液相线的时间和降温速率。为防止基板的破坏，焊球处形成孑L洞等缺陷，最好是将热电偶直接置于芯片的下方，这样可以更精确地控制回流的温度。

6下填充材料的充填

大部分下填料是在回流焊工艺之后进行，在某些情况下也可以在回流焊工艺之前进行。当然，不同工艺对下填料的性能要求也不相同，据此可将下填料分成两类：回流焊后下填充材料和回流焊前的下填充材料。由于前者要求所用的填充料具有一定的流动性，而后者则恰恰相反，所以也可将两者分别称作流动的下填充材料和不流动的下填充材料。

使用流动下填充料的常规填充工艺是利用装有填料的点胶机沿芯片的一边或两边施加填料，在芯片和基板之间缝隙的毛细管虹吸作用下，达到充填的目的。此时，充填的质量取决于芯片的尺寸和形状、缝隙的大小、焊点的排布方式，填充料的粘度以及填充料与芯片及电路板的润湿特性。其它工艺参数，包括点胶头的孔径，点胶头距芯片边缘的距离，距电路板的高度以及点胶的速度均会影响填充的质量。同时，为改善填料的流动性和防止其发生凝胶化反应，电路板的温度也是一个非常重要的工艺参数，工艺过程中也须严格控制。可通过C模式扫描超声显微镜(C-SAM)观察是否有孔洞和剥层，进而监控充填的质量。一旦在填充料与芯片和电路板之间形成剥层，将会导致应力集中，造成焊点过早破坏，特别是当环境潮湿或外界温差变化较大时。在其后的固化过程中，为充分发挥下填料的作用，对固化的温度、温度的均匀性、固化的时间以及炉腔内气氛等也要加以控制。

为了克服回流焊后下填充材料工艺过程较慢，同时与SMT工艺不兼容的不足，人们开发了不流动的下填料。它可以在制造阶段预先施加在整个圆片上，划片后装配于整个基板上，填充料的固化和焊点的连接可在回流焊过程中一步实现。

7结束语

当前约有1％的芯片是利用FC技术组装，但随着微电子及电子封装技术的快速发展，特别是与SMT工艺相互结合后，FC终将会得到为迅速的发展并最终成为一种成熟的工艺技术。