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2020-02-24

集成电路封装工艺清洗剂韦德国际1946官方网站分享:基于先进封装的铜柱凸块技术

发布者:韦德国际1946官方网站Unibright ; 浏览次数:100

集成电路封装工艺清洗剂韦德国际1946官方网站分享:基于先进封装的铜柱凸块技术


摘 要:铜柱凸块技术用于实现集成电路封装的芯片基板互联,具有优越的电性能、热性能和可靠性,并可满足RoHS要求。随着电子产品对小型化和轻量化的要求越来越高,铜柱凸块将逐渐取代锡铅凸块技术,实现更高密度的芯片互连,成为先进封装的主流技术。

 

集成电路(IC)先进封装技术的创新发展不仅要使新产品达到成功的市场定位,更重要的是先进封装工艺技术不能影响IC性能。当前IC芯片封装的对外引线数和铜互连导线密度越来越高,推动了倒装芯片(Flip-Chip)和晶圆级封装(WLP)等高密度先进封装技术的快速发展。 

铜柱凸块(Cu pillar)技术是新一代芯片互连技术,用于集成电路封装工艺过程芯片和基板的连接,最早由Intel于2006年应用于其65 nm制程的微处理器芯片中。铜柱凸块得益于铜材料的特性,拥有优越的导电性能、热性能和可靠性,并可满足RoHS要求。同时,采用铜柱凸块技术在基板设计时可以减少基板层数的使用,实现整体封装成本的降低,与引线键合(wire bonding)相比,其整体封装成本可节省约20%。另外,铜柱凸块具有高电迁移性能,适用于高电流承载能力的应用,主要应用于高端芯片封装,是收发器、嵌入式处理器、电源管理、基带芯片、专用集成电路(ASIC)以及一些符合细间距、RoHS/绿色要求、低成本和良好电性能的芯片互连方式。

 

1 铜柱凸块技术特性

传统的焊料凸块(solder bump)封装工艺,是焊料凸块再熔化而回流焊接到基板,这会产生形变,使焊球间距不一致,并很难监测和控制。IC芯片封装过程中,芯片与基板间的底部填充主要流向焊球间距较大的空隙,而较小的空隙没有填充,由此形成的空洞对器件的可靠性具有负面作用。对于铜柱凸块而言,由于采用少量的焊料,互连时铜柱凸块的形变显著减小,在再熔化和回流工艺中,铜柱凸块几乎仍保持其形状不变。铜柱凸块间一致的间距致使底部填充后产生的空洞较少,也就意味着更高的工艺质量和电子器件可靠性。 

如图1所示,铜柱凸块总高度大约为60~70 μm,由铜柱和焊料帽两部分组成,焊料帽可以采用通用的锡铅焊料或者是高锡成分的无铅焊料。相对而言,铜柱凸块焊料帽仅提供IC与引线或PCB间的机械互连,铜柱提供电气互连,而传统焊料凸块承担机械与电气互连两种功能。


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另外,如图2所示,铜柱凸块比焊料凸块还有另一优势,铜柱凸块当作圆柱焊料凸块时具有一致的高度,且间距可以更小,这样铜柱凸块尺寸上不仅实现了细间距阵列互连,也提高互连的电性能,高比例的含铜(高传导率)量提高其散热性能。在特定生产工艺中,可以通过提高电压和温度的方法,使铜柱凸块具备不同的形状。铜柱凸块提高了可靠性,增强了互连的电性能和热性能,细间距使互连密度更大,且满足RoHS要求,制造性能可与标准的晶圆级凸块相比,成本较低。

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芯片上铜柱凸块的分布不断优化,最新的圆柱凸块分布方法成功地解决了芯片的散热问题。新型细间距互连可以使间距变得更小,因此可实现更高密度的互连。目前铜柱凸块可实现80 μm间距,柱体高度为80 μm,直径大约为40 μm,外形比例能达到2~10,而传统的焊料凸块其凸块的最大高度可能仅为40 μm。另外,在RoHS指令中铜不是禁用材料,无铅焊料允许作为圆柱凸块的焊料帽。

把铜柱凸点芯片直接组装到引线框架或其他引线单元时,这种工艺不需要特殊的焊盘设计以防止焊料外流。比如,可以把CPB(copper pillarsolder bumps)与引线框架的金属层直接焊接,而使超薄QFN封装厚度达到仅600 μm是可能的。比较而言,铜柱凸块技术的优势主要有:

 

1)较强的导电能力,是焊料凸块的25倍;

 

2)较小的电阻和电感值,对电迁移有更好的抵抗力;

 

3)细间距使芯片尺寸更小;

 

4)更经济的基板价格;

 

5)由CPB确定焊料成分;

 

6)可用无掩膜细间距基板和无铜焊盘;

 

7)符合RoHS要求。

 

2 铜柱凸块制造工艺

为了满足铜柱凸块的侧壁垂直度、表面平整性、UBM(Under Bump Metallurgy)的粘附性和凸块强度等性能要求,铜柱凸块的制造过程需要光刻(黄光区)与电镀工艺的紧密结合,首先利用厚胶光刻技术获得凸块图形的掩模,然后采用电镀工艺获得一定高度的凸块。光刻光阻材料可用传统的半导体设备及标准的化学品进行涂覆、曝光、显影及刻蚀。对于电镀工艺,要重点考虑光阻的剖面形状、电镀的耐久性以及电镀后光阻材料的可去除性。

图3所示为铜柱凸块制造工艺流程,主要包括UBM溅射、厚胶光刻、电镀、去胶和UBM刻蚀等工序。


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2.1 UBM溅射 

通过热氧制备400 nm二氧化硅(SiO2)作为绝缘层,然后溅射Ti或者TiW作为粘附层,溅射Cu作为电镀种子层,从而形成铜柱凸块的UBM。

 

2.2 厚胶光刻 

厚胶光刻的工艺步骤为涂覆、前烘、曝光、显影、后烘。由于正性光刻胶厚胶光刻的影响因素很多,涂覆厚胶需要采用符合流变学的光阻材料,支持旋转涂覆单次操作厚度40~100 μm。为了提高铜凸块侧壁垂直度,光刻胶的厚度需要大于铜柱凸块高度,一次就涂覆厚度约80 μm以上的光阻材料。 

低数值孔径值以及宽带光谱范围的步进曝光机能提供很大的景深,并最小化光阻侧壁靠近底部端的驻波形状,因此可采用基于1倍光学镜头、0.16数值孔径的步进光刻系统,以及线波长350~450 nm的光照下进行曝光。

 

2.3 铜/焊料电镀 

传统的电镀工艺是挂镀,即阳极和作为阴极的被镀件分别浸入电镀液内,位置相对而放,电镀时通常晃动被镀件,以便让新鲜的电镀液及时补充到被镀件的表面。铜柱凸块电镀工艺采用垂直喷镀法,把被镀的晶圆正面朝下,电镀液从下面垂直向上喷到晶圆的中央,然后向晶圆四周流出,这样电镀效果较好。 

2.4 刻蚀UBM 

UBM刻蚀容易出现腐蚀不完全或者侧向腐蚀严重的问题,铜柱凸块间距越小此现象越严重。分析湿法刻蚀和干法刻蚀对于UBM刻蚀的影响,可知湿法腐蚀具有各项同性的特性,通过增加腐蚀时间来去除未完全腐蚀的UBM,会造成严重的侧向腐蚀而导致侧壁垂直度降低,而干法刻蚀具有各向异性的特性,可以解决刻蚀侧向腐蚀问题。

 

3 铜柱凸块技术的应用 

在IC先进封装中,由于阻焊膜的结构分辨率和精度是细间距封装应用的一个很大的限制因素,而采用铜柱凸块进行芯片封装,凸块焊料帽较少的焊料用量使其可不用阻焊膜,这使其在FCOB技术方面具备相当大的优势,同时因为PCB基板焊盘对阻焊膜不要求精确公差,会使基板的成本显著降低。综合因素考虑,铜柱凸块技术在COB封装中有很强的竞争力。同引线键合封装相比,铜柱凸块技术提高了芯片到基板的散热性,更短的信号传输路径会使信号较少失真。尤其是高产量时,铜柱凸块工艺要比引线键合工艺更具经济性。把制作有铜柱凸块的芯片直接组装在引线框架或其它引线单元时,这种封装工艺不需要特殊的焊盘设计以防止焊料外流。如图4所示,可以把铜柱凸块与引线框架的金属层直接焊接,而使超薄QFN封装厚度实现仅600 μm。

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铜柱凸块技术同样适用于CSP、QFN、SOT、TO-220等标准封装形式的倒装芯片封装,也可应用于板式倒装芯片。这种全新的芯片互连技术提高了集成电路的电、热性能,也即提高其可靠性。 

由于铜柱凸块较大的外形比例和稳定的凸块尺寸,采用铜柱凸块封装技术的的产品越来越多,典型的产品应用实例有: 

1)处理器、闪存器(DDRIII)、助听器和RFID标签的极小封装尺寸的细间距集成电路;

 

2)需要更低阻抗和良好导热性的功率器件MOSFETS;

 

3)需要良好导热性和高速处理速度的高速前置放大器和RF模块;

 

4)高密度封装的微机电系统MEMS。

 

4 结束语 

电子产品的便携、轻巧和薄型化对其性能、功能、尺寸和成本的要求越来越高,为满足这些要求,除了产品设计与制造技术,IC封装也在不断开发更新更先进的封装技术。随着芯片制造技术的发展,芯片密度越来越高,芯片之间的间距不断减小,铜柱凸块技术将逐渐取代锡铅凸块,成为集成电路芯片互连主流技术。


(来源:半导体封装工程师之家)




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