一、什么是倒装芯片?
倒装芯片组装就是通过芯片上的凸点直接将元器件朝下互连到基板、载体或者电路板上。而导线键合是将芯片的面朝上。
倒装芯片元件是主要用于半导体设备;而有些元件如无源滤波器,探测天线,存储器装备也开始使用倒装芯片技术,由于芯片直接通过凸点直接连接基板和载体上,因此更确切的说,倒装芯片也叫DCA(Direct Chip Attach)
二、倒装技术技术细节
在半导体芯片倒装连接的过程中,有许多前后处理的工序,以下详细介绍倒装工艺的相关细节:
1. 第一步:凸点下金属化(UBM,under bump metallization)倒装连接第一步需在芯片表面制作凸点技术,倒装连接的本质是芯片上的凸点与基板上的凸点(凹槽)连接,半导体表面的金属化有以下几种方式:(a)溅射:用溅射的方法一层一层地在硅片上沉积薄膜,然后通过照相平版技术形成UBM图样,然后刻蚀掉不是图样的部分。(b)蒸镀:利用掩模,通过蒸镀的方法在硅片上一层一层地沉积。这种选择性的沉积用的掩模可用于对应的凸点的形成之中。(c)化学镀:采用化学镀的方法在Al焊盘上选择性地镀Ni。常常用锌酸盐工艺对Al表面进行处理。无需真空及图样刻蚀设备,低成本。
由于铝焊盘表面有一层氧化物,镀层金属无法粘附在氧化的表面上,因此要对铝表面进行适当的处理以清除氧化物层。
一般的方法是在铝焊盘上采用锌酸盐处理(zincation),该技术是在铝的表面沉积一层锌,防止铝发生氧化,镀锌工艺的一个缺点是铝也会被镀液腐蚀掉,因此需要采用二次镀锌工艺,在进行镀锌工艺中,有0.3-0.4mm厚的铝将被腐蚀掉。在镀锌过程中,锌沉积在铝表面,而同时铝及氧化铝层则被腐蚀掉。锌保护铝不再发生氧化,锌层的厚度很薄。在进行镀锌工艺后,进一步采用化学镀镍用作UBM的沉积,金属镍起到连接/扩散阻挡的作用。镍的扩散率非常小,与焊料也几乎不发生反应,它仅与锡有缓慢的反应,因此非常适合作为共晶焊料的UBM金属。化学镀镍既可以用于UBM金属的沉积,也可以用来形成凸点。在部分倒装凸点的表面会进一步镀金,由于金导电性能好,且不易氧化,可增加倒装连接的可靠性。焊料凸点方法有蒸镀焊料凸点、电镀焊料凸点、印刷焊料凸点、钉头焊料凸点、放球凸点、焊料转移凸点等不同工艺,其中电镀焊料及印刷焊料工艺使用较广泛。在半导体表面凸点金属化后,通过回流炉将金属化部分形成倒装球。
其中电镀焊料凸点的具体形成过程如下图:
凸点常用的材料是Pb/Sn合金,因为其回流焊特性好,适合工业化生产。
除了常见的Pb/Sn合金,凸点也有Au/Ni合金等凸点材料,为了保证可靠的互连,UBM必须与用于凸点的焊料合金相容。适合高铅的UBM不一定适合高锡焊料。例如Cu润湿层合适于含锡3-5%的高铅焊料,但是不适合于高锡焊料,因为Cu与Sn反应迅速而生成Sn-Cu金属间化合物。如果Cu被消耗完毕,焊料将与焊区不润湿。
芯片表面形成的凸点在扫描电镜下观察到的外观如下图所示:
下图中的左图是回流(高温)前的凸点状态,右图是经高温后的凸点状态,经高温后凸点融化成球形。
化学镀UBM和丝网印刷工艺(Electroless UBM and Stencil Printing)是工业应用中低成本倒装焊凸点制备方法。
以下是丝网印刷凸点制作流程(Stencil Printing Process Flow)及完成后的凸点形貌:
热压倒装技术是芯片与载板连接的常用方法,最合适的凸点材料是金,凸点可以通过传统的电解镀金方法生成,或者采用钉头凸点方法,后者就是引线键合技术中常用的凸点形成工艺。对于热压倒装技术,由于压力较大,温度也较高,这种工艺仅适用于刚性基底,如氧化铝或硅。另外,基板必须保证较高的平整度,热压头也要有较高的平行对准精度。为了避免半导体材料受到不必要的损害,施加压力时应该有一定的梯度。
倒装连接后已完成了芯片与基板的连接,为了提高倒装稳定性,会在倒装后的芯片与基板之间采用填充胶加固,填胶工艺如下图所示:
芯片与基底之间的底部填充材料使连接抵抗热疲劳的性能显著提高,如果没有底部填充,则热疲劳将是倒装芯片主要的可靠性问题。
(a)底部填充材料将集中的应力分散到芯片的塑封材料中去。(b)可阻止焊料蠕变,并增加倒装芯片连接的强度与刚度。(c)保护芯片免受环境的影响(湿气、离子污染等)。
三、倒装芯片封装清洗介绍与清洗剂选择:
水基清洗的工艺和设备配置选择对清洗精密器件尤其重要,一旦选定,就会作为一个长期的使用和运行方式。水基清洗剂必须满足清洗、漂洗、干燥的全工艺流程。
污染物有多种,可归纳为离子型和非离子型两大类。离子型污染物接触到环境中的湿气,通电后发生电化学迁移,形成树枝状结构体,造成低电阻通路,破坏了电路板功能。非离子型污染物可穿透PC B 的绝缘层,在PCB板表层下生长枝晶。除了离子型和非离子型污染物,还有粒状污染物,例如焊料球、焊料槽内的浮点、灰尘、尘埃等,这些污染物会导致焊点质量降低、焊接时焊点拉尖、产生气孔、短路等等多种不良现象。
这么多污染物,到底哪些才是最备受关注的呢?助焊剂或锡膏普遍应用于回流焊和波峰焊工艺中,它们主要由溶剂、润湿剂、树脂、缓蚀剂和活化剂等多种成分,焊后必然存在热改性生成物,这些物质在所有污染物中的占据主导,从产品失效情况来而言,焊后残余物是影响产品质量最主要的影响因素,离子型残留物易引起电迁移使绝缘电阻下降,松香树脂残留物易吸附灰尘或杂质引发接触电阻增大,严重者导致开路失效,因此焊后必须进行严格的清洗,才能保障电路板的质量。
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