一、什么是倒裝芯片?
倒裝芯片組裝就是通過芯片上的凸點直接將元器件朝下互連到基板、載體或者電路板上。而導線鍵合是將芯片的面朝上。
倒裝芯片元件是主要用于半導體設備;而有些元件如無源濾波器,探測天線,存儲器裝備也開始使用倒裝芯片技術,由于芯片直接通過凸點直接連接基板和載體上,因此更確切的說,倒裝芯片也叫DCA(Direct Chip Attach)
二、倒裝技術技術細節(jié)
在半導體芯片倒裝連接的過程中,有許多前后處理的工序,以下詳細介紹倒裝工藝的相關細節(jié):
1. 第一步:凸點下金屬化(UBM,under bump metallization)倒裝連接第一步需在芯片表面制作凸點技術,倒裝連接的本質(zhì)是芯片上的凸點與基板上的凸點(凹槽)連接,半導體表面的金屬化有以下幾種方式:(a)濺射:用濺射的方法一層一層地在硅片上沉積薄膜,然后通過照相平版技術形成UBM圖樣,然后刻蝕掉不是圖樣的部分。(b)蒸鍍:利用掩模,通過蒸鍍的方法在硅片上一層一層地沉積。這種選擇性的沉積用的掩??捎糜趯耐裹c的形成之中。(c)化學鍍:采用化學鍍的方法在Al焊盤上選擇性地鍍Ni。常常用鋅酸鹽工藝對Al表面進行處理。無需真空及圖樣刻蝕設備,低成本。
由于鋁焊盤表面有一層氧化物,鍍層金屬無法粘附在氧化的表面上,因此要對鋁表面進行適當?shù)奶幚硪郧宄趸飳印?/section>
一般的方法是在鋁焊盤上采用鋅酸鹽處理(zincation),該技術是在鋁的表面沉積一層鋅,防止鋁發(fā)生氧化,鍍鋅工藝的一個缺點是鋁也會被鍍液腐蝕掉,因此需要采用二次鍍鋅工藝,在進行鍍鋅工藝中,有0.3-0.4mm厚的鋁將被腐蝕掉。在鍍鋅過程中,鋅沉積在鋁表面,而同時鋁及氧化鋁層則被腐蝕掉。鋅保護鋁不再發(fā)生氧化,鋅層的厚度很薄。在進行鍍鋅工藝后,進一步采用化學鍍鎳用作UBM的沉積,金屬鎳起到連接/擴散阻擋的作用。鎳的擴散率非常小,與焊料也幾乎不發(fā)生反應,它僅與錫有緩慢的反應,因此非常適合作為共晶焊料的UBM金屬?;瘜W鍍鎳既可以用于UBM金屬的沉積,也可以用來形成凸點。在部分倒裝凸點的表面會進一步鍍金,由于金導電性能好,且不易氧化,可增加倒裝連接的可靠性。焊料凸點方法有蒸鍍焊料凸點、電鍍焊料凸點、印刷焊料凸點、釘頭焊料凸點、放球凸點、焊料轉移凸點等不同工藝,其中電鍍焊料及印刷焊料工藝使用較廣泛。在半導體表面凸點金屬化后,通過回流爐將金屬化部分形成倒裝球。
其中電鍍焊料凸點的具體形成過程如下圖:
凸點常用的材料是Pb/Sn合金,因為其回流焊特性好,適合工業(yè)化生產(chǎn)。
除了常見的Pb/Sn合金,凸點也有Au/Ni合金等凸點材料,為了保證可靠的互連,UBM必須與用于凸點的焊料合金相容。適合高鉛的UBM不一定適合高錫焊料。例如Cu潤濕層合適于含錫3-5%的高鉛焊料,但是不適合于高錫焊料,因為Cu與Sn反應迅速而生成Sn-Cu金屬間化合物。如果Cu被消耗完畢,焊料將與焊區(qū)不潤濕。
芯片表面形成的凸點在掃描電鏡下觀察到的外觀如下圖所示:
下圖中的左圖是回流(高溫)前的凸點狀態(tài),右圖是經(jīng)高溫后的凸點狀態(tài),經(jīng)高溫后凸點融化成球形。
化學鍍UBM和絲網(wǎng)印刷工藝(Electroless UBM and Stencil Printing)是工業(yè)應用中低成本倒裝焊凸點制備方法。
以下是絲網(wǎng)印刷凸點制作流程(Stencil Printing Process Flow)及完成后的凸點形貌:
此工序是將完成凸點制作的芯片與載板進行倒裝互聯(lián)。熱壓倒裝技術是芯片與載板連接的常用方法,最合適的凸點材料是金,凸點可以通過傳統(tǒng)的電解鍍金方法生成,或者采用釘頭凸點方法,后者就是引線鍵合技術中常用的凸點形成工藝。對于熱壓倒裝技術,由于壓力較大,溫度也較高,這種工藝僅適用于剛性基底,如氧化鋁或硅。另外,基板必須保證較高的平整度,熱壓頭也要有較高的平行對準精度。為了避免半導體材料受到不必要的損害,施加壓力時應該有一定的梯度。
倒裝連接后已完成了芯片與基板的連接,為了提高倒裝穩(wěn)定性,會在倒裝后的芯片與基板之間采用填充膠加固,填膠工藝如下圖所示:
芯片與基底之間的底部填充材料使連接抵抗熱疲勞的性能顯著提高,如果沒有底部填充,則熱疲勞將是倒裝芯片主要的可靠性問題。
(a)底部填充材料將集中的應力分散到芯片的塑封材料中去。(b)可阻止焊料蠕變,并增加倒裝芯片連接的強度與剛度。(c)保護芯片免受環(huán)境的影響(濕氣、離子污染等)。
三、倒裝芯片封裝清洗介紹與清洗劑選擇:
水基清洗的工藝和設備配置選擇對清洗精密器件尤其重要,一旦選定,就會作為一個長期的使用和運行方式。水基清洗劑必須滿足清洗、漂洗、干燥的全工藝流程。
污染物有多種,可歸納為離子型和非離子型兩大類。離子型污染物接觸到環(huán)境中的濕氣,通電后發(fā)生電化學遷移,形成樹枝狀結構體,造成低電阻通路,破壞了電路板功能。非離子型污染物可穿透PC B 的絕緣層,在PCB板表層下生長枝晶。除了離子型和非離子型污染物,還有粒狀污染物,例如焊料球、焊料槽內(nèi)的浮點、灰塵、塵埃等,這些污染物會導致焊點質(zhì)量降低、焊接時焊點拉尖、產(chǎn)生氣孔、短路等等多種不良現(xiàn)象。
這么多污染物,到底哪些才是最備受關注的呢?助焊劑或錫膏普遍應用于回流焊和波峰焊工藝中,它們主要由溶劑、潤濕劑、樹脂、緩蝕劑和活化劑等多種成分,焊后必然存在熱改性生成物,這些物質(zhì)在所有污染物中的占據(jù)主導,從產(chǎn)品失效情況來而言,焊后殘余物是影響產(chǎn)品質(zhì)量最主要的影響因素,離子型殘留物易引起電遷移使絕緣電阻下降,松香樹脂殘留物易吸附灰塵或雜質(zhì)引發(fā)接觸電阻增大,嚴重者導致開路失效,因此焊后必須進行嚴格的清洗,才能保障電路板的質(zhì)量。
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