轉(zhuǎn)自【環(huán)球 SMT 與封裝】特約稿

吳懿平博士

華中科技大學(xué) 連接與電子封裝中心 教授/博導(dǎo)

廣州先藝電子科技有限公司 技術(shù)總監(jiān)

【摘要】人類已經(jīng)進(jìn)入到超越摩爾定律（More than Moore Law）時(shí)代（后摩爾時(shí)代）。我們不再一味關(guān)注芯片本身的性能與功耗，而是從電子產(chǎn)品角度出發(fā)，在不改變半導(dǎo)體制程節(jié)點(diǎn)工藝的情況下，借助先進(jìn)封裝技術(shù)，將異質(zhì)芯片通過并排或垂直堆疊的方式 集成至同一封裝體內(nèi)。由于芯片沿高度方向進(jìn)行堆疊能夠大幅減小封裝尺寸，提高封裝結(jié)構(gòu)的空間利用率，從而實(shí)現(xiàn)封裝互連密度的進(jìn)一步提升。芯片垂直堆疊結(jié)構(gòu)的三維（three dimension, 3D）封裝技術(shù)，不僅在封裝尺寸和互連密度方面有顯著優(yōu)勢，而且3D 封裝還可以縮短芯片之間的互連距離，降低互連電阻和噪聲，最終降低了芯片功耗、提升了芯片的電性能。3D 封裝技術(shù)的高速發(fā)展主要依賴于三個(gè)重要的技術(shù)突破：微凸點(diǎn)（Microbump Bonding）互連技術(shù)、晶圓減薄（Wafer Thinning）技術(shù)、硅通孔（Through Silicon Vias, TSV）技術(shù)。本文就專稿向讀者介紹實(shí)現(xiàn)芯片之間互連的關(guān)鍵技術(shù)——微凸點(diǎn)技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】微凸點(diǎn)、后摩爾時(shí)代、銅柱、先進(jìn)封裝

1 引言

摩爾定律問世至今，晶體管的特征尺寸已經(jīng)減小至 5 nm，并實(shí)現(xiàn)了商用量產(chǎn)。以手機(jī)芯片為例，華為手機(jī)Mate 40 就搭載了臺(tái)積電采用 5nm 工藝代工的 SoC（System on Chip）芯片——麒麟 9000，已經(jīng)逼近摩爾定律的物理極限。進(jìn)一步減小柵極光刻寬度，將會(huì)產(chǎn)生隧道效應(yīng)并引發(fā)漏電流問題，導(dǎo)致芯片邏輯錯(cuò)誤，同時(shí)還使得芯片的研發(fā)與制造成本呈指數(shù)上升。超越摩爾定律的束縛，我們不再一味追逐光刻尺寸的進(jìn)一步縮小，不再關(guān)注芯片本身的性能與功耗，而是從電子產(chǎn)品角度出發(fā)，在不改變半導(dǎo)體制程工藝節(jié)點(diǎn)的情況下，借助先進(jìn)封裝技術(shù)，將異質(zhì)芯片通過并排或垂直堆疊的方式集成至同一封裝體內(nèi)。以晶圓級(jí)芯片封裝（Wafer Level Chip Scale Packaging, WL CSP)、系統(tǒng)級(jí)封裝（System in Package, SiP）和扇出型晶圓級(jí)封裝（Fan-out wafer level package, FOWLP）技術(shù)為代表的先進(jìn)封裝技術(shù)，不僅能夠進(jìn)一步提高器件的集成度，而且還能夠大幅縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，降低研發(fā)成本。通過先進(jìn)封裝，將芯片沿高度方向進(jìn)行堆疊，大幅減小了封裝尺寸，提高了封裝結(jié)構(gòu)的空間利用率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了裝互連密度的進(jìn)一步提升。芯片垂直堆疊三維（three dimension, 3D）封裝技術(shù)，不僅在封裝尺寸和互連密度方面有顯著優(yōu)勢，而且 3D 封裝還可以縮短芯片之間的互連距離，降低了互連電阻和噪聲，最終降低了芯片功耗、提升了芯片的電性能。3D 封裝技術(shù)的高速發(fā)展主要依賴于三個(gè)重要的技術(shù)突破（如圖 1）：微凸點(diǎn)（Microbump Bonding）互連技術(shù)、晶圓減薄（Wafer Thinning）技術(shù)、硅通孔（Through Silicon Vias, TSV）技術(shù)。

與引線鍵合（Wire Bonding）技術(shù)相比，面分布凸點(diǎn)陣列的應(yīng)用大幅提高了封裝結(jié)構(gòu)中的空間利用率，打破了焊盤只能布置在芯片四周的限制，I/O 端子可布滿整個(gè)芯片，使得芯片之間的互連密度得到幾何級(jí)數(shù)增長。

凸點(diǎn)作為封裝結(jié)構(gòu)中的重要一環(huán)，提供了堆疊芯片及固定裝配所需的機(jī)械支撐，并實(shí)現(xiàn)了堆疊芯片之間的電氣互連。在3D 電子封裝結(jié)構(gòu)中為了完成芯片、轉(zhuǎn)接板和基板之間的垂直互連，會(huì)用到以下三種不同尺寸的凸點(diǎn)： 最大尺寸的球柵陣列焊球（Ball-Grid-Array Solder Ball, BGA ball），其直徑范圍通常在 0.25-0.76 mm；中等尺寸的倒裝凸點(diǎn)（Flip-Chip Solder Bump，F(xiàn)C Bump），也被稱為可控塌陷芯片焊點(diǎn)（Controlled Callapse Chip Connection solder joint, C4 solder joint），其直徑范圍通常在 100-150μm；而最小尺寸的微凸點(diǎn)（micro bump），

其直徑可小至 2μm。而微凸點(diǎn)可以通過光刻電鍍的方法在整片晶圓上進(jìn)行大規(guī)模制備，極大地提高了生產(chǎn)效率，從而實(shí)現(xiàn)批量封裝成本的下降。為了保證高質(zhì)量實(shí)現(xiàn)芯片之間的互連，針對不同尺寸的凸點(diǎn)需要選擇不同的凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)、不同的凸點(diǎn)制備方法和對應(yīng)的互連方式。以凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)為依據(jù)，可將微凸點(diǎn)分為以下三類：焊料凸點(diǎn)、銅柱凸點(diǎn)和鍵合銅凸點(diǎn)。本文專稿向讀者介紹先進(jìn)電子封裝中的一種實(shí)現(xiàn)芯片之間互連的關(guān)鍵技術(shù)——微凸點(diǎn)技術(shù)。

2 幾種焊料凸點(diǎn)的制備工藝

對于尺寸較大的 BGA 凸點(diǎn)和倒裝焊凸點(diǎn)，焊料凸點(diǎn)是最為經(jīng)濟(jì)有效的凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)。常用的焊料凸點(diǎn)材料有共晶鉛錫合金、熔點(diǎn)為 330-350°C 的高鉛鉛錫合金（95Pb/5Sn 和 97Pb/3Sn）以及無鉛的錫基合金、銦合金等。焊料凸點(diǎn)的制備方法主要有：絲網(wǎng)印刷、蒸鍍、化學(xué)鍍和電鍍凸點(diǎn)，釘頭凸點(diǎn)、放球凸點(diǎn)以及焊料轉(zhuǎn)移凸點(diǎn)等等。其中絲網(wǎng)印刷作為最成熟的凸點(diǎn)制備技術(shù)，可良好地控制焊料組分以滿足對焊點(diǎn)的性能要求，并且兼具高效、高可靠性和低成本等優(yōu)點(diǎn)，適合大尺寸凸點(diǎn)的制備。對于焊料凸點(diǎn)，常用的材料是 Pb/Sn 合金，在回流焊過程中具有自中心作用以及焊料下落等。自中心作用減小了對芯片貼放的精度要求；下落特點(diǎn)減小了共面性差的問題。具體材料有共晶鉛錫合金凸點(diǎn)、熔點(diǎn)為330-350℃ 的高鉛鉛錫合金凸點(diǎn)（95Pb/5Sn 和 97Pb/3Sn）以及無鉛的錫基凸點(diǎn)等。

2.1 蒸鍍焊料凸點(diǎn)工藝

蒸鍍焊料凸點(diǎn)有兩種方法，一種是 C4 技術(shù)，整體形成焊料凸點(diǎn)；另一種是 E3 技術(shù)，在凸點(diǎn)頂部局部蒸鍍一層錫，以便在倒裝芯片與基板回流焊時(shí)局部熔化而焊合。圖 2 為蒸鍍焊料凸點(diǎn)的形成原理示意圖。

2.2 電鍍焊料凸點(diǎn)工藝

電鍍焊料是一個(gè)成熟的工藝。采用電鍍焊料凸點(diǎn)，需要先整體形成 UBM 層并用作電鍍的導(dǎo)電層，然后再用光刻膠保護(hù)不需要電鍍的地方。一旦電鍍形成了厚的凸點(diǎn)后，再除去光刻膠并刻蝕不需要的 UBM，然后經(jīng)回流形成凸點(diǎn)陣列。圖 3 為電鍍焊料凸點(diǎn)的形成原理示意圖。

2.3 印刷凸點(diǎn)工藝

焊膏印刷凸點(diǎn)是一種廣泛應(yīng)用的凸點(diǎn)形成方法。印刷凸點(diǎn)是采用模板直接將焊膏印在要形成凸點(diǎn)的焊盤上，然后經(jīng)過回流而形成凸點(diǎn)。目前印刷凸點(diǎn)間距可達(dá)到 250mm 的細(xì)間距。圖 4 示意地表示了焊膏印刷凸點(diǎn)的工藝步驟?？砂凑詹煌氖褂靡?，選用不同的凸點(diǎn)材料，如 95Pb/5Sn、90Pb/10Sn、63Pb/37Sn 以及無鉛焊料等成分。在晶圓的 Al 焊區(qū)上形成 UBM 后，就可在其上印刷焊膏然后回流。

2.4 化學(xué)鍍凸點(diǎn)

化學(xué)鍍凸點(diǎn)是一種利用強(qiáng)還原劑在化學(xué)鍍液中將需要鍍的金屬離子還原成該金屬原子沉積在鍍層表面形成凸點(diǎn)的方法?；瘜W(xué)鍍除可利用光刻膠做掩模在硅圓片上化學(xué)鍍凸點(diǎn)外，還可以直接在已經(jīng)切割好的芯片上進(jìn)行化學(xué)鍍凸點(diǎn)，適合于小批量制作凸點(diǎn)，工藝靈活方便，而且凸點(diǎn)布局、凸點(diǎn)尺寸以及間距大小不受限制。一般是在化學(xué)鍍 UBM 的基礎(chǔ)上，直接進(jìn)行化學(xué)鍍 Ni/Au 凸點(diǎn)或 Au 凸點(diǎn)。

2.5 激光植球技術(shù)

激光植球是通過一個(gè)送料器將焊球源源不斷地送入植球頭的噴嘴處，用光導(dǎo)纖維將 Nd：YAG 激光束引入噴嘴，在惰性氣體保護(hù)下將處于嘴口處的焊球快速加熱到熔點(diǎn)以上，使熔化的焊球與晶片或者基板的焊盤等焊合，形成所要求的凸點(diǎn)或焊球。

如圖 5(a)(b)所示，整個(gè)植球頭非常精密、小巧，如同一個(gè)噴墨打印機(jī)的打印頭，可以通過程序?qū)崿F(xiàn)對特定陣列圖形排列的凸點(diǎn)或焊球。圖 5(c)顯示的是采用激光植球技術(shù)在硅晶片的鍍鎳層(UBM)上形成的兩個(gè)共晶焊球凸點(diǎn)的 SEM 照片。

激光植球的質(zhì)量與精度高于電沉積植球方法，在小批量情況下適用性強(qiáng)，成本低廉，封裝效率高，對器件的損傷小。設(shè)備占地面積小，使用方便，靈活，工藝控制簡單，自動(dòng)化程度高。

2.6 凸點(diǎn)轉(zhuǎn)移

將凸點(diǎn)用前述的方法在一個(gè)中間載體上形成相應(yīng)的凸點(diǎn)陣列，然后將其轉(zhuǎn)送到倒裝芯片上去的一種植球技 術(shù)。載體一般是與焊料不潤濕的材料，如硅片、熱阻玻璃片等。在中間載體上形成凸點(diǎn)的方法很多，常用蒸鍍 焊料凸點(diǎn)和印刷焊料凸點(diǎn)的方法。采用蒸鍍法或印刷方法在載體上預(yù)制凸點(diǎn)，之后再輔以凸點(diǎn)轉(zhuǎn)移工藝，則整個(gè)凸點(diǎn)制備工藝的靈活性將大大提高。對于印刷凸點(diǎn)，首先加工一塊具有一系列不同開口直徑的通用印刷模板，這樣僅使用一塊模板就可以在載體上制出各種不同直徑的備用凸點(diǎn)陣列。然后將預(yù)制凸點(diǎn)轉(zhuǎn)移至涂有助焊劑的芯片焊盤上，經(jīng)回流后凸點(diǎn)與焊盤焊合，且與載體分離。

可以在載體表面先沉積大約 100nm 厚度的金薄層，以增加焊料與載體的附著力，防止焊料凸點(diǎn)從載體上分離，同時(shí)還可增加分離焊料熔化前的潤濕時(shí)間，使得它有足夠的時(shí)間來潤濕 UBM。

圖 6 示意給出了蒸鍍方法的批量化凸點(diǎn)轉(zhuǎn)移工藝流程。

以上介紹了各種常用的凸點(diǎn)形成的工藝方法。表 1 對這些工藝方法的特點(diǎn)及使用范圍等進(jìn)行綜合比較。

3 銅柱凸點(diǎn)

為了避免橋接現(xiàn)象的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)更高 I/O 密度，IBM 公司于 21 世紀(jì)初首次提出了銅柱凸點(diǎn)，申請了銅柱凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)的相關(guān)專利。銅柱凸點(diǎn)的結(jié)構(gòu)如圖 7 所示，用銅柱取代了焊料凸點(diǎn)中的大部分焊料，其頂部鍍有少量焊料。在焊料互連過程中，銅柱凸點(diǎn)能夠保持一定的高度，既可以防止焊料的橋接現(xiàn)象發(fā)生，又可以掌控堆疊層芯片的間距高度，可實(shí)現(xiàn) 15-80μm 節(jié)距的銅凸點(diǎn)焊料互連。

銅柱凸點(diǎn)的高徑比不再受到陣列間距的限制，在相同的凸點(diǎn)間距下，可以提供更大的支撐高度，大大改善了底部填充膠（underfill）的流動(dòng)性。

由于絲網(wǎng)制作工藝精度的限制，當(dāng)模版開孔尺寸縮小至 50μm 時(shí)，印刷將會(huì)變得異常困難，因而絲網(wǎng)印刷并不適用于銅柱凸點(diǎn)的制備。相比而言，借助光刻掩膜技術(shù)的電鍍法則具有更高的制備精度，可實(shí)現(xiàn)凸點(diǎn)在晶圓上的直接制備，適合銅柱凸點(diǎn)的制備。圖 8 所示，即為一種高共面性銅柱凸點(diǎn)陣列電鍍方法流程圖。

另外，為了減緩焊料與銅之間的界面金屬間化合物（Intermetallic Compounds，IMCs）的生成速率，可在銅柱頂部和焊層之間額外電鍍一層 Ni 作為阻擋層。

根據(jù)銅柱凸點(diǎn)的節(jié)距不同，銅柱凸點(diǎn)的鍵合方法可以分為回流焊和熱壓鍵合（Thermal Compress Bonding， TCB）兩種方式。對于節(jié)距在 50-80μm 的銅柱凸點(diǎn)，可采用回流焊方式完成凸點(diǎn)鍵合。當(dāng)銅柱凸點(diǎn)尺寸進(jìn)一步減小時(shí)，凸點(diǎn)中有限的焊料體積將導(dǎo)致自對準(zhǔn)效應(yīng)被大幅度削弱，同時(shí)較長的回流時(shí)間可能使焊料全部轉(zhuǎn)化為IMCs，對凸點(diǎn)可靠性形成巨大威脅。

采用熱壓鍵合的方式，如圖 9 所示，通過 Bond Head 和 Bond Stage 的結(jié)構(gòu)完成待鍵合芯片之間的高精度對準(zhǔn)，并可在鍵合過程中施加一定的壓力以輔助鍵合。加之大幅縮短的鍵合時(shí)間，使得熱壓鍵合在高精度鍵合領(lǐng)域表現(xiàn)更為出色。

4 銅-銅凸點(diǎn)鍵合

當(dāng)凸點(diǎn)尺寸進(jìn)一步縮小至數(shù)微米時(shí)，在凸點(diǎn)制備和鍵合過程中，銅柱凸點(diǎn)內(nèi)僅存的焊料極有可能被全部消耗完畢，形成全 IMCs 凸點(diǎn)，為可靠性埋下了巨大的隱患。因此，業(yè)界相應(yīng)提出了銅-銅凸點(diǎn)鍵合結(jié)構(gòu)的解決方案，以實(shí)現(xiàn)更高的互連密度。該方法首先通過光刻電鍍的方式在晶圓上完成銅凸點(diǎn)的直接制備，而后在超真空環(huán)境中，采用熱壓鍵合的方式完成銅-銅凸點(diǎn)鍵合。在鍵合過程中，鍵合壓力的施加使銅凸點(diǎn)發(fā)生塑性變形，界面兩側(cè)的原子相互接觸，隨著鍵合時(shí)間的延長，界面原子逐漸完成跨界面擴(kuò)散，界面處晶格重組的發(fā)生 使鍵合界面合二為一，最終實(shí)現(xiàn)鍵合互連，形成如 10 所示的凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)。該互連結(jié)構(gòu)中沒有金屬間化合物的形成，并具有更為優(yōu)異的散熱性能、導(dǎo)電性能以及抗電遷移性能。

但是銅-銅凸點(diǎn)鍵合作為一種固相鍵合技術(shù)，需要提供較高的溫度（350- 400°C）、較大的壓力以及較長的擴(kuò)散時(shí)間，才能保證凸點(diǎn)的可靠互連。另外，銅凸點(diǎn)表面平整性和表面氧化問題也制約著銅-銅凸點(diǎn)鍵合的實(shí)際應(yīng)用。為了解決上述問題，研究人員提出了表面活化鍵合技術(shù)（surface activated bonding）和納米金屬鍵合技術(shù)（nano-metal bonding）等解決方案，極具啟發(fā)性，但是距離實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用還具有一定的距離。

5 結(jié)語

凸點(diǎn)作為 BGA 封裝、倒裝封裝和先進(jìn)封裝的最重要技術(shù)，不僅提供了高密度平面陣列互連，同時(shí)還提供了堆疊芯片及器件封裝所需的機(jī)械支撐與電氣互連。在 3D 電子封裝結(jié)構(gòu)中為了完成芯片、轉(zhuǎn)接板和基板之間的垂直互連，用到了三種不同尺寸的凸點(diǎn)：最大尺寸的球柵陣列焊球，其直徑范圍通常在 0.25-0.76 mm；中等尺寸的倒裝凸點(diǎn)，其直徑范圍通常在 100-150μm；而最小尺寸的微凸點(diǎn)（micro bump），其直徑可小至 2μm。

微凸點(diǎn)可以通過光刻電鍍的方法在整片晶圓上進(jìn)行大規(guī)模制備，極大地提高了生產(chǎn)效率，從而實(shí)現(xiàn)批量封裝成本的下降。

銅柱凸點(diǎn)巧妙地結(jié)合了銅柱和焊料二者在封裝工藝方面的優(yōu)勢，在現(xiàn)有封裝技術(shù)的水平下，解決了封裝時(shí)液態(tài)焊料橋接的問題，并大幅改善了鍵合凸點(diǎn)的散熱性能和抗電遷移性能，從而實(shí)現(xiàn)更小的凸點(diǎn)節(jié)距和更高的互連密度。銅柱凸點(diǎn)在 3D 封裝技術(shù)中具有巨大的研究價(jià)值和應(yīng)用潛力，是業(yè)界的研究焦點(diǎn)。

微凸點(diǎn)在鍵合及服役過程中涉及到各種復(fù)雜的物理、冶金和化學(xué)過程，對微凸點(diǎn)的可靠性提出了巨大的挑戰(zhàn)，主要包括化學(xué)反應(yīng)、金屬溶解、化學(xué)勢梯度驅(qū)動(dòng)的擴(kuò)散、電遷移、焦耳熱、熱遷移和應(yīng)力遷移。因此，在先進(jìn)電子封裝技術(shù)飛速發(fā)展的今天，開展高密度鍵合微凸點(diǎn)界面反應(yīng)行為的基礎(chǔ)研究，對改善 3D 電子封裝結(jié)構(gòu)的可靠性具有重大意義。

（參考文獻(xiàn)略）

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