電子封裝金屬微凸點(diǎn)制備技術(shù)研究進(jìn)展*

王凌云，鄭 康

（廈門大學(xué)薩本棟微米納米科學(xué)技術(shù)研究院，福建廈門 361102）

引 言

隨著電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展，電子產(chǎn)品不斷向微型化、多功能化和高集成化的方向發(fā)展。在不斷增長的需求推動(dòng)下，微電子封裝技術(shù)經(jīng)歷了插孔元件時(shí)代、表面貼裝時(shí)代、面積陣列時(shí)代和2.5D/3D封裝時(shí)代。

自20世紀(jì)90年代以來，集成電路進(jìn)入了超大規(guī)模階段，單顆芯片的引腳數(shù)高達(dá)上千個(gè)。傳統(tǒng)的雙列直插封裝（Dual In-line Packaging, DIP）和方形扁平封裝（Quad Flat Packaging, QFP）在不增加整體尺寸的情況下只能不斷縮減引腳尺寸及間距，當(dāng)引腳數(shù)超過500時(shí)，微小的安裝誤差就可能導(dǎo)致焊錫橋接和斷路。在此背景下，以面積陣列排布輸入/輸出（Input/Output, I/O）凸點(diǎn)的封裝形式—球柵陣列封裝（Ball Grid Array Packaging, BGA）、芯片尺度封裝（Chip Scale Packaging, CSP）、晶圓級(jí)芯片尺度封裝（Wafer Level Chip Scale Packaging,WLCSP）以及倒裝芯片封裝（Flip Chip Packaging, FCP）陸續(xù)登上歷史舞臺(tái)，它將有源區(qū)面上制有凸點(diǎn)電極的芯片朝下放置，與封裝基底/基板布線層直接鍵合實(shí)現(xiàn)冶金連接[1–2]。這種基于面積陣列的封裝方式不僅提高了硅片的利用率，還具有互連路徑短、信號(hào)傳輸延時(shí)短、寄生參數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)。進(jìn)入21世紀(jì)后，芯片中的晶體管數(shù)量仍在急劇上升，傳統(tǒng)二維芯片的尺寸不斷逼近摩爾定律的極限，因此人們尋求在垂直方向進(jìn)行芯片集成，于是出現(xiàn)了3D封裝，又叫疊層芯片封裝。

不論是對(duì)于當(dāng)下的面積陣列封裝還是未來的3D封裝，以金屬微凸點(diǎn)作為電互連和機(jī)械支撐非常普遍并將延續(xù)很長時(shí)間。然而，不同封裝層級(jí)間微凸點(diǎn)的尺寸跨度大、材料范圍廣，很難有一種技術(shù)能覆蓋全尺寸范圍內(nèi)微凸點(diǎn)的制備，微凸點(diǎn)的制備工藝將決定該技術(shù)未來幾十年的發(fā)展。

1 金屬微凸點(diǎn)制備工藝

微凸點(diǎn)陣列的制備方法主要有2類：一類是通過專用設(shè)備將預(yù)成型精密焊球放置在基板上特定位置來形成凸點(diǎn)陣列，典型工藝有植球法；另一類是凸點(diǎn)陣列直接制備法，主要有釘頭凸點(diǎn)法、絲網(wǎng)印刷法、蒸鍍法、電鍍法（化學(xué)鍍法）、可控塌陷芯片連接新工藝（Controlled Collapse Chip Connection New Process,C4NP）以及噴射法。如圖1所示，凸點(diǎn)工藝主要包括凸點(diǎn)下金屬層（Under Bump Metallization, UBM）的制備以及凸點(diǎn)的制備，涵蓋了不同微凸點(diǎn)的制備方法。

圖1 微凸點(diǎn)制備技術(shù)[3]

1.1 植球法

有多種植球法，其中一種是將帶有微孔陣列的吸盤置于容器上方，通過振動(dòng)容器使焊球跳動(dòng)，從而使其吸附于小孔之上（為去除多余焊球，可采用超聲振動(dòng)工藝）；隨后通過光學(xué)手段來檢測吸孔與焊球位置的準(zhǔn)確性，緊接著將吸盤與晶圓/基板焊盤對(duì)齊，緩慢降低吸盤，使焊球置于焊盤之上，去真空釋放焊球，使吸盤與焊球分離；最后對(duì)晶圓/基板進(jìn)行加熱回流形成焊錫凸點(diǎn)。其工藝流程如圖2所示。該方法簡單快捷，生產(chǎn)效率高，可靈活應(yīng)用。與電鍍法相比，其成本較低且無化學(xué)污染[4]，但也存在以下不足：1）對(duì)焊球的一致性要求較高，否則容易出現(xiàn)卡球、丟球或漏球現(xiàn)象；2）對(duì)助焊劑及回流溫度設(shè)定的依賴度較高，助焊劑揮發(fā)產(chǎn)生的氣流擾動(dòng)容易使焊球位置偏移，不當(dāng)?shù)幕亓鳒囟热菀自斐赏裹c(diǎn)連焊；3）較難應(yīng)用于細(xì)節(jié)距產(chǎn)品，因?yàn)殡y以涂布助焊劑和拾取極小的焊球；4）不適用于多尺寸焊盤的情況，如果將大小相同的焊球置于不同尺寸的焊盤上，就會(huì)降低焊錫凸點(diǎn)高度的共面性[5]。

圖2 基于真空吸盤植球的微凸點(diǎn)制備工藝流程圖[6]

另一種是先利用第一漏印掩膜在基板焊盤上涂刷黏性助焊劑，隨后在第二漏印掩膜上均勻散布直徑相同的焊球，掩膜通孔與基板焊盤對(duì)齊，緊接著采用擠壓刷將焊球壓入掩膜通孔中，從而使焊球黏附于涂有助焊劑的焊盤上，完成植球后移除第二漏印掩膜，最后加熱回流，使焊球熔化形成凸點(diǎn)。其工藝流程見圖3。

圖3 基于漏印掩膜植球的微凸點(diǎn)制備工藝流程圖

德國Pactech公司提出的激光植球技術(shù)可一步實(shí)現(xiàn)植球與回流工藝，其原理如圖4所示。在氮?dú)鈿夥障吕眉す馐鴮⒑盖蛉刍诤副P上形成凸點(diǎn)。該方法可用于晶圓或芯片焊盤上焊料凸點(diǎn)的制備，靈活性強(qiáng)[7]。由于激光局部加熱產(chǎn)生的熱影響區(qū)小，因此可以避免周圍元件的損傷，減少植球過程中金屬化合物層的形成，有利于提高焊點(diǎn)質(zhì)量。激光植球技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)焊球直徑為40～760 μm的可靠連接[8]，但文獻(xiàn)[9–11]指出，該技術(shù)在焊點(diǎn)制備過程中會(huì)出現(xiàn)焊球潤濕不良、焊球凹陷、局部燒蝕等缺陷，造成焊點(diǎn)可靠性差。

圖4 Pactech公司的激光植球法原理圖[12]

1.2 釘頭凸點(diǎn)法

釘頭凸點(diǎn)鍵合技術(shù)由Matsushita公司于1997年提出[13]。該方法借鑒了引線鍵合工藝[14–15]，在第一焊點(diǎn)完成后劈刀繼續(xù)向上拉伸，使金絲頸縮斷裂形成金凸點(diǎn)，具體工藝（圖5）如下：

圖5 釘頭凸點(diǎn)法工藝流程圖

1）首先利用電火花放電在金絲末端形成金球，金球尺寸可通過設(shè)置打火桿的電流、打火桿與線尾的間距以及放電時(shí)間來控制；

2）隨后在加熱、加壓和超聲的共同作用下，將金球鍵合到芯片的焊盤上；

3）當(dāng)?shù)谝缓更c(diǎn)完成后，劈刀垂直向上運(yùn)動(dòng)，此時(shí)線夾處于打開狀態(tài)，送出一段尾絲；

4）線夾關(guān)閉，劈刀向上運(yùn)動(dòng)，金絲在拉力的作用下斷裂形成帶有尾尖的凸點(diǎn)；

5）當(dāng)所有凸點(diǎn)制作完畢后，通過研磨、石英板拍平等工藝去除尾尖，使其成為高度、平整性一致的芯片凸點(diǎn)。

在一般情況下，為了提高倒裝焊金凸點(diǎn)與鋁焊盤連接的可靠性，通常會(huì)預(yù)先在鋁焊盤上濺射/蒸鍍一層UBM，而后再進(jìn)行釘頭凸點(diǎn)制作。

釘頭凸點(diǎn)法只適合引腳較少、焊盤節(jié)距較大、品種多但數(shù)量相對(duì)不多的芯片封裝，具有簡便易行、方便靈活、可在單芯片上制作凸點(diǎn)、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，但也存在凸點(diǎn)高度一致性較差、效率低等缺點(diǎn)。此外，由于金是貴金屬材料，當(dāng)封裝器件的引腳數(shù)較多時(shí)，其成本要比焊料凸點(diǎn)高。文獻(xiàn)[16]嘗試使用帶有銅凸點(diǎn)的芯片與焊盤印刷有無鉛焊料的基板互連，意欲取代成本高昂的金凸點(diǎn)與導(dǎo)電膠鍵合的傳統(tǒng)互連工藝，獲得了不錯(cuò)的效果，但由于銅凸點(diǎn)抗氧化、抗腐蝕能力差，目前很少使用。隨著鍵合工藝以及材料技術(shù)的提升，銅絲有望取代金絲成為新一代凸點(diǎn)鍵合材料。

1.3 絲網(wǎng)印刷法

絲網(wǎng)印刷法是通過涂刷器和網(wǎng)板將錫膏涂刷在焊盤上的凸點(diǎn)制備技術(shù)，適用于間距為200～400 μm的焊盤。其工藝主要包括UBM制備、錫膏絲網(wǎng)印刷、錫膏回流和焊盤清洗等步驟。圖6所示是目前應(yīng)用較廣的低成本釬料凸點(diǎn)制備方法，具有效率高、成本低、適用于不同種類釬料合金的優(yōu)點(diǎn)[17]。然而，該方法在節(jié)距小于150 μm的高密度互連中面臨較大的挑戰(zhàn)。在細(xì)節(jié)距產(chǎn)品中，印刷后助焊劑容易橋接，這為回流后焊料的橋接埋下了較大隱患。在回流過程中溶劑揮發(fā)，空洞數(shù)量和凸點(diǎn)高度變化較明顯，降低了芯片貼裝良率。為提升貼裝良率，需采用壓印工藝保證所有焊錫凸點(diǎn)的共面性。此外，由于小節(jié)距焊盤掩膜的制備成本較高，因此其應(yīng)用受到了一定的限制[18]。

圖6 絲網(wǎng)印刷法工藝流程

隨著掩膜加工技術(shù)的提升、納米材料制備技術(shù)的日趨成熟以及印刷工藝的優(yōu)化，絲網(wǎng)印刷工藝在制備節(jié)距小于100 μm的倒裝芯片焊料凸點(diǎn)領(lǐng)域愈發(fā)成熟。文獻(xiàn)[19]在優(yōu)化工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上成功實(shí)現(xiàn)了在晶圓上制備節(jié)距為90～100 μm的焊料微凸點(diǎn)。

1.4 蒸鍍法

20世紀(jì)60年代IBM公司最早提出采用蒸鍍法制備凸點(diǎn)，主要應(yīng)用于大型計(jì)算機(jī)中的多芯片模塊[17]。在蒸鍍工藝中，先利用光掩膜制作UBM，然后將釬料蒸發(fā)到UBM上得到錐形凸點(diǎn)，最后對(duì)錐形凸點(diǎn)進(jìn)行加熱回流使之成為半球狀，如圖7所示。

該方法與集成電路（Integrated Circuit, IC）工藝相兼容，可充分利用現(xiàn)有設(shè)備且工藝成熟，但需要制作掩膜，且一種掩膜只能針對(duì)一種IC芯片。蒸鍍工藝的缺點(diǎn)主要表現(xiàn)在：1）投資高，生產(chǎn)效率卻不高，因此該方法僅用于要求凸點(diǎn)材料純度高、制備的凸點(diǎn)密度高或制備的凸點(diǎn)材料不能使用電鍍或印刷工藝等場合；2）由于大部分焊料被蒸發(fā)到掩膜和反應(yīng)腔室的內(nèi)壁上，因此該工藝的材料利用率極低；3）每次蒸鍍結(jié)束后，必須對(duì)附著在金屬掩膜上的焊料予以清除，而清除操作會(huì)降低掩膜質(zhì)量，改變開孔尺寸，從而縮短了掩膜的壽命。UBM的制作通常使用多個(gè)蒸發(fā)器，這使得焊料成本進(jìn)一步增大。蒸鍍工藝一般可接受的面陣列節(jié)距極限是225 μm，當(dāng)節(jié)距低于200 μm時(shí)，原先采用蒸鍍工藝的公司都轉(zhuǎn)向采用電鍍工藝[6]。

1.5 電鍍法

電鍍法是微電子封裝企業(yè)普遍采用且工藝成熟的凸點(diǎn)制作方法[20]，常用于晶圓凸點(diǎn)的制備。電鍍凸點(diǎn)所需的UBM同樣是采用蒸發(fā)/濺射的方法，但比UBM厚許多倍的凸點(diǎn)則采用電鍍工藝制備。電鍍法制備的凸點(diǎn)主要有銅柱凸點(diǎn)和焊料凸點(diǎn)2大類。銅柱凸點(diǎn)一般是在芯片焊盤上電鍍一定尺寸的銅柱后，再在銅柱上表面電鍍可焊性鍍層（SnPb、SnAg、Sn等），以便實(shí)現(xiàn)后續(xù)的互連或組裝，是當(dāng)前凸點(diǎn)應(yīng)用的主流方向。銅柱凸點(diǎn)被認(rèn)為是可以實(shí)現(xiàn)窄節(jié)距凸點(diǎn)互連的主要材料，其特點(diǎn)是高度一致性好，可靠性高，節(jié)距可低至20 μm甚至更低。焊料凸點(diǎn)則是直接在芯片上電鍍焊料層，經(jīng)回流后形成焊料凸點(diǎn)。圖8為電鍍低溫釬料凸點(diǎn)的制作工藝流程圖。

圖8 電鍍低溫釬料凸點(diǎn)工藝流程

電鍍工藝具有重復(fù)性好、一致性高的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)制備工藝與IC、微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical System, MEMS）工藝相兼容，可用于批量生產(chǎn)各類規(guī)格芯片及不同材料、不同高度的凸點(diǎn)，但由于資金和運(yùn)營成本高，電鍍技術(shù)在小型設(shè)施中的使用受到了一定的限制。此外，三元合金（如SnAgCu）很難以一致的結(jié)果進(jìn)行電鍍[18,21]。

1.6 C4NP法

C4NP法是IBM公司研發(fā)的低成本細(xì)節(jié)距焊錫凸點(diǎn)制作技術(shù)，克服了現(xiàn)有技術(shù)的局限性，可采用多種無鉛焊料合金[22]。它是一種焊料轉(zhuǎn)移技術(shù)，需將熔融焊料注入預(yù)制的可重復(fù)使用的玻璃模具中，主要包括5個(gè)環(huán)節(jié)：模具制造、焊料填充、模具與晶圓對(duì)準(zhǔn)、焊料轉(zhuǎn)印與脫模以及加熱回流。其中，模具制造是該工藝的關(guān)鍵，它包含了晶圓凸點(diǎn)圖形的刻蝕空腔，考慮到焊料在硼硅玻璃表面的非浸潤性，通常采用硼硅玻璃制作。圖9為模具制造及焊料填充工藝流程圖。

圖9 模具制造及焊料填充工藝流程圖

將焊料轉(zhuǎn)移至晶圓之前，需對(duì)已填充的模具進(jìn)行檢查以確保較高的良率。然后在回流溫度下將填充好的模具軟接觸貼近晶圓，所有的焊料凸點(diǎn)將一次性全部轉(zhuǎn)移至晶圓上。該過程并無與液體流動(dòng)相關(guān)的復(fù)雜問題，其工藝流程如圖10所示。

圖10 焊料從模具到晶圓的轉(zhuǎn)移過程[22]

2008年IBM公司以甲酸蒸汽作為助焊劑，利用C4NP技術(shù)在直徑為28 μm的UBM焊盤上成功實(shí)現(xiàn)了直徑約為50 μm的SnAg無鉛焊料微凸點(diǎn)的制備[23]，如圖11所示。初步結(jié)果顯示：C4NP技術(shù)能輕易實(shí)現(xiàn)直徑在50 μm以下的微凸點(diǎn)的制備，以滿足I/O密度不斷攀升的需求。

圖11 50 μm直徑微凸點(diǎn)SEM圖[23]

1.7 噴射法

噴射法能實(shí)現(xiàn)熔融焊料的高精度、超微細(xì)控制，廣泛應(yīng)用于電子封裝領(lǐng)域球柵陣列錫球的直接噴射制備、噴射印刷電路、直接金屬快速成型、電互連接頭以及液滴鉛焊等[24–26]。噴射法按原理可分為連續(xù)式噴射和按需式噴射。連續(xù)式噴射通過離散層流射流來實(shí)現(xiàn)均勻液滴的制備，噴射的微滴具有頻率高、飛行速度快等優(yōu)點(diǎn)，但不易對(duì)單顆微滴的飛行過程和沉積位置進(jìn)行控制，故不適用于直接植球，多用于造粒[27–28]。按需噴射因其能精確控制液滴的體積和沉積位置，故可用于直接植球[29]。

噴射法按驅(qū)動(dòng)方式分主要有壓電驅(qū)動(dòng)式、熱泡式、氣動(dòng)式、應(yīng)力波驅(qū)動(dòng)式、超聲振動(dòng)式和電磁力驅(qū)動(dòng)式[30]。其中，壓電驅(qū)動(dòng)式是目前應(yīng)用最廣且商用最成功的微液滴制備方式，但因壓電材料難以耐高溫，需要設(shè)計(jì)較復(fù)雜的冷卻系統(tǒng)和隔熱裝置；氣動(dòng)式中的氣動(dòng)膜片式解決了噴射閥不耐高溫且可噴射材料熔點(diǎn)受限等問題，但存在頻率較低、噪聲較大的弊端[31–32]；應(yīng)力波驅(qū)動(dòng)式能獲得比噴嘴直徑更小的液滴，液滴直徑約為噴嘴直徑的0.6倍，可大大降低噴嘴的加工難度與成本[33]，但存在噴射微滴定位精度差且伴有噪聲的缺點(diǎn)；電磁力驅(qū)動(dòng)式被認(rèn)為是極具潛力的驅(qū)動(dòng)方式，最早應(yīng)用于微泵中導(dǎo)電流體的驅(qū)動(dòng)[34]，具有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)快、不依賴外部氣源等優(yōu)點(diǎn)，但噴射材料必須為導(dǎo)體，且在噴射較高熔點(diǎn)材料時(shí)，需做好閥體與永磁鐵的隔熱，因較高的溫度會(huì)導(dǎo)致永磁鐵退磁。

采用噴射法在芯片/基板焊盤表面直接植球具有效率高、成本低、工藝簡單的優(yōu)勢[35–36]。因此，利用微噴技術(shù)制造精密焊點(diǎn)成為面積陣列封裝領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[37–38]。然而，因存在工藝控制困難、一致性較差的不足，噴射法難以實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用[39]。噴射法一般采用按需噴射模式來實(shí)現(xiàn)熔融態(tài)低熔點(diǎn)焊料的沉積，文獻(xiàn)[40–44]也實(shí)現(xiàn)了鋁合金、銅等高熔點(diǎn)金屬的噴射打印。其最大特點(diǎn)是非接觸且無需掩膜，可通過調(diào)節(jié)氣壓、脈沖波形、脈寬、噴嘴尺寸等參數(shù)輕易控制液滴尺寸。此外，熔融態(tài)焊料噴射沉積于芯片/基板焊盤后與UBM直接鍵合，無需對(duì)整個(gè)芯片/基板進(jìn)行較高溫度的加熱回流，有效保護(hù)了溫度敏感型電子元器件及內(nèi)部集成電路。文獻(xiàn)[45–46]表明：焊料的多次回流將嚴(yán)重影響焊點(diǎn)的力學(xué)性能，而采用絲網(wǎng)印刷、電鍍等工藝制備金屬微凸點(diǎn)時(shí)，回流次數(shù)在20次以上[6]，這是噴射法的獨(dú)特優(yōu)勢之一。

2 金屬微凸點(diǎn)常見材料

目前通用的凸點(diǎn)按照材料成分來分主要有以銅柱凸點(diǎn)、金凸點(diǎn)、鎳凸點(diǎn)、銦凸點(diǎn)等為代表的單質(zhì)金屬凸點(diǎn)、以錫基為代表的焊料凸點(diǎn)、聚合物凸點(diǎn)等。

1）金凸點(diǎn)、銅柱凸點(diǎn)常用于小節(jié)距的高端芯片領(lǐng)域，具有電導(dǎo)率高、抗電遷移特性好的優(yōu)點(diǎn)，通常采用電鍍或釘頭凸點(diǎn)方式制備。

2）鎳凸點(diǎn)和銦凸點(diǎn)通常用于特殊場合。鎳凸點(diǎn)常用化學(xué)鍍方式制備，銦凸點(diǎn)常用電鍍或蒸發(fā)薄膜的方式制備。

3）焊料凸點(diǎn)一般以錫基焊料為主，多為二元或三元及以上多元合金，其加工過程比錫鉛焊料復(fù)雜，且熔點(diǎn)普遍較高。表1為可能取代錫鉛焊料的無鉛焊料。

表1 可能取代錫鉛焊料的無鉛焊料[7]

4）聚合物凸點(diǎn)一般由導(dǎo)電聚合物制備，主要用于柔性器件封裝領(lǐng)域。其互連工藝溫度遠(yuǎn)低于焊料凸點(diǎn)的工藝溫度，通常在140°C～170°C范圍內(nèi)。聚合物凸點(diǎn)具有高度一致性好、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，其設(shè)備和工藝也相對(duì)簡單，但它缺乏焊料凸點(diǎn)的自對(duì)中性能，位置容差較小，鍵合前必須進(jìn)行高精度對(duì)準(zhǔn)。

基于成本考慮，當(dāng)節(jié)距較大（≥100 μm）時(shí)，焊料凸點(diǎn)仍然是基于面積陣列凸點(diǎn)制備的首選，而采用電鍍法制備的銅柱凸點(diǎn)將是高密度、窄節(jié)距微器件封裝領(lǐng)域當(dāng)下和未來很長一段時(shí)間的主流。這是因?yàn)殡S著封裝密度的提高，器件的熱流密度不斷增大[47]，對(duì)無鉛焊料微凸點(diǎn)互連器件的可靠性構(gòu)成了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。目前，最先進(jìn)的銅柱凸點(diǎn)節(jié)距低至40 μm，凸點(diǎn)尺寸約為20～25 μm，相鄰?fù)裹c(diǎn)間距為15 μm[48]。

3 結(jié)束語

雖然目前基于無鉛焊料微凸點(diǎn)的制備技術(shù)比較成熟，但隨著芯片特征尺寸的不斷減小以及片上系統(tǒng)（System on Chip, SoC）、多芯片集成等技術(shù)的發(fā)展，I/O互連數(shù)量勢必激增，這將進(jìn)一步壓縮微凸點(diǎn)的尺寸和節(jié)距。然而，當(dāng)無鉛焊料微凸點(diǎn)的尺寸和節(jié)距小于一定值時(shí)，將出現(xiàn)一系列可靠性問題，如界面反應(yīng)、熱疲勞可靠性、跌落沖擊可靠性、電遷移可靠性等。因此，在不久的將來細(xì)節(jié)距銅柱凸點(diǎn)將逐漸取代無鉛焊料凸點(diǎn)成為主流的封裝材料。此外，由于芯片三維堆疊封裝具有小尺寸、低功耗、低延遲和高帶寬等優(yōu)點(diǎn)，能顯著提升集成電路的系統(tǒng)性能。因此，3D集成技術(shù)將成為評(píng)估晶圓封裝企業(yè)是否具備核心競爭力的籌碼，而與之對(duì)應(yīng)的高密度硅通孔（Through Silicon Via,TSV）互連技術(shù)將備受關(guān)注。