倒裝芯片，挑戰(zhàn)越來(lái)越大

正在開(kāi)發(fā)新的凸點(diǎn)（bump）結(jié)構(gòu)以在倒裝芯片封裝中實(shí)現(xiàn)更高的互連密度，但它們復(fù)雜、昂貴且越來(lái)越難以制造。

對(duì)于具有高引腳數(shù)的產(chǎn)品，倒裝芯片封裝長(zhǎng)期以來(lái)一直是一種流行的選擇，因?yàn)樗鼈兝谜麄€(gè)芯片區(qū)域進(jìn)行互連。該技術(shù)自 1970 年代以來(lái)一直在使用，從 IBM 的 C4（controlled collapse chip connection）開(kāi)始，但真正廣泛使用是在 1990 年代。

從那時(shí)起，凸塊技術(shù)不斷發(fā)展，以處理內(nèi)存、高性能計(jì)算和移動(dòng)計(jì)算設(shè)備所需的不斷增加的功率和信號(hào)連接密度。滿足這一需求需要新的互連技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)更小的凸點(diǎn)間距，目前正在生產(chǎn)中。

隨著時(shí)間的推移，倒裝芯片互連的路線圖從無(wú)鉛凸塊發(fā)展到銅柱，再到銅微凸塊。間距尺寸繼續(xù)縮小，這反過(guò)來(lái)又給凸塊和鍵合帶來(lái)了制造挑戰(zhàn)。

圖 1：倒裝芯片技術(shù)間距范圍

圖 2：倒裝芯片組件

“在倒裝芯片領(lǐng)域——250 微米及以下間距——最初是錫鉛凸塊，其中一項(xiàng)重大舉措是無(wú)鉛化。但是，當(dāng)你開(kāi)始達(dá)到 100 微米或以下時(shí)，你會(huì)開(kāi)始看到更多的銅柱，盡管當(dāng)我們看到高達(dá) 250 微米的銅柱時(shí)存在重疊，”P(pán)romex Industries 高級(jí)工藝工程師 Jeff Schaefer說(shuō)?！皩?duì)于 250 微米的間距，我們看到 130 微米的凸點(diǎn)尺寸或銅柱直徑。一旦我們達(dá)到 100 微米的間距，它就是 80 微米的直徑。我見(jiàn)過(guò)的最小間距是 62.5 微米間距和 40 微米柱。我預(yù)計(jì)很快就會(huì)看到 50 微米間距?！?/p>

基本的倒裝芯片工藝在電路制造之后開(kāi)始，此時(shí)在芯片表面創(chuàng)建金屬焊盤(pán)以連接到 I/O。接下來(lái)是晶圓凸塊，將焊球沉積在每個(gè)焊盤(pán)上。然后晶圓被切割，這些芯片被翻轉(zhuǎn)和定位，使焊球與基板焊盤(pán)對(duì)齊。然后焊球被熔化/回流，通常使用熱空氣，并且安裝的芯片底部填充有電絕緣粘合劑，通常使用毛細(xì)管作用。

圖 3：倒裝芯片制造工藝

轉(zhuǎn)向銅柱或微凸塊需要光刻來(lái)創(chuàng)建這些結(jié)構(gòu)。

Amkor Technology晶圓級(jí)封裝高級(jí)副總裁 Doug Scott 表示：“銅柱通常用于 130μm 間距以下，因?yàn)殂~柱不是圓形焊料凸點(diǎn)，而是主要是頂部有焊料的銅柱?！?“這允許將銅柱凸點(diǎn)放置得更近，而不會(huì)在組裝回流期間焊料連接在一起的風(fēng)險(xiǎn)——通常，~40 μmCu + ~25 μm。”

主題也有變化。“微凸塊是硅與硅之間互連的常用術(shù)語(yǔ)，它略有不同，因?yàn)?CTE（熱膨脹系數(shù)）通常相同，”日月光集團(tuán)工程/技術(shù)營(yíng)銷(xiāo)高級(jí)總監(jiān) Mark Gerber 說(shuō)。“用于銅柱的一些一般設(shè)計(jì)規(guī)則是相同的，但平坦的表面形貌和低應(yīng)力接頭允許使用的底部填充物具有靈活性。這也可以驅(qū)動(dòng)單個(gè)凸點(diǎn)間距。今天，由于前面提到的路由考慮，對(duì)于所使用的晶圓級(jí)或晶圓廠級(jí)路由，35μm的凸點(diǎn)全陣列間距是可能的?！?/p>

異構(gòu)集成路線圖 描述了封裝的所有方面，包括從焊線到硅通孔的裸片到基板互連。對(duì)于倒裝芯片封裝，芯片到基板互連、基板重新分布區(qū)域和基板到板互連都在制造限制中發(fā)揮作用。

圖 4：倒裝芯片封裝的概念圖

異構(gòu)集成路線圖的第 8 章記錄了當(dāng)前和預(yù)計(jì)的封裝技術(shù)推介的概況。第 8.7 小節(jié)（第 41 頁(yè)）的表 1 中列出了每種倒裝芯片互連技術(shù)的最小間距。

在第 8.8 小節(jié)（第 43 頁(yè)）中可以找到基板互連（將封裝連接到電路板的部分）的相應(yīng)表格。

互連技術(shù)的每一次變革都會(huì)帶來(lái)新的工藝及其局限性，從而推動(dòng)創(chuàng)新、良率管理和缺陷檢測(cè)。

凸塊技術(shù)限制

凸塊技術(shù)是通過(guò)間距、尺寸、高度以及電氣和機(jī)械特性來(lái)衡量的。熱注意事項(xiàng)因材料的 CTE 不匹配而異。翹曲是較大die和晶圓的一個(gè)問(wèn)題，在die貼裝之前對(duì)晶圓進(jìn)行背面研磨會(huì)加劇翹曲。

“對(duì)于每種類(lèi)型的互連，間距限制有許多驅(qū)動(dòng)因素，”ASE 的 Gerber 說(shuō)?！皬膫鹘y(tǒng)的焊料凸點(diǎn)倒裝芯片互連開(kāi)始，間距能力取決于底部填充的坍塌高度、走線布線的捕獲焊盤(pán)間距、焊球到焊球短路風(fēng)險(xiǎn)的捕獲焊盤(pán)間距以及其他幾個(gè)與間距相關(guān)的敏感性。預(yù)裝凸塊高度有一個(gè)定義的高度，但正如 IBM 定義的 C4 術(shù)語(yǔ)——焊料凸塊的直徑和捕獲焊盤(pán)尺寸將決定互連的“塌陷或最終高度”。這是使用與間距相關(guān)的焊料凸點(diǎn)的主要間距限制因素?！?/p>

凸點(diǎn)高度由設(shè)計(jì)決定，也有加工選擇。

“對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的電鍍焊料凸點(diǎn)和銅柱凸點(diǎn)，預(yù)組裝凸點(diǎn)高度通常在 70μm 到 75μm左右，組裝后塌陷的凸點(diǎn)高度約為 50μm，以便為凸點(diǎn)之間的底部填充流動(dòng)留出 x、y、z 空間。微凸塊的凸塊高度要低得多，并且涉及的焊料電鍍要少得多。具體來(lái)說(shuō)，根據(jù)間距和末端需求，微凸塊的高度可以小于 10μm，同時(shí)減少銅和焊料的高度，”Amkor 的 Scott 說(shuō)。“標(biāo)準(zhǔn)電鍍焊料凸點(diǎn)通常用于 130μm至 250μm 的間距。在 130μm 以下，當(dāng)以 70μm預(yù)組裝凸點(diǎn)高度開(kāi)始時(shí)，凸點(diǎn)之間沒(méi)有足夠的 xy 空間?！?/p>

創(chuàng)建銅柱需要比焊料凸點(diǎn)更多的處理步驟。

“當(dāng)我們過(guò)渡到 die-to-die 世界時(shí)，技術(shù)是不同的，因?yàn)楝F(xiàn)在你正在處理晶圓，而與 die-to-substrate 相比，planerites 非常好。首先，您創(chuàng)建銅柱，在要獲得焊料或銅柱的初始晶圓上，首先是凸點(diǎn)下金屬 (UBM)。它是向下進(jìn)入硅的開(kāi)口上方的一個(gè)小蓋子。然后我們用它做一個(gè)銅芯，然后在上面放一個(gè)錫帽。然后是接收晶圓，它們看起來(lái)像是有一個(gè) UBM 焊盤(pán)，上面通常有一些鎳金類(lèi)型的鍍層，因此它既漂亮又原始，”P(pán)romex Industries 的 Schaefer 解釋道。

因此，您沒(méi)有像層壓基材那樣有輕微的壓痕，而是有輕微的擠壓。我們發(fā)現(xiàn)我們實(shí)際上能夠在沒(méi)有“焊盤(pán)上焊料”的情況下將它們濕焊。' 這就是它們的設(shè)計(jì)和建造方式。它幾乎就像焊料和焊盤(pán)一樣，因?yàn)樗且粋€(gè)小圓頂，而不是試圖進(jìn)入孔內(nèi)?！?/p>

銅柱形成所需的光刻步驟具有限制以及基板設(shè)計(jì)規(guī)則。

“對(duì)于由銅柱和尖端焊帽組成的銅柱，銅柱高度可以定義為一個(gè)或多個(gè)光致抗蝕劑層厚度的限制，并且當(dāng)您減小間距時(shí)，銅柱的縱橫比銅柱高度與光刻膠材料和成像工具功能一起成為限制，”Gerber 說(shuō)?！般~柱互連的第二個(gè)限制是使用的基板設(shè)計(jì)規(guī)則。對(duì)于 >110um 的精細(xì)間距，使用了 2 種主要方法 - BOT（跡線上鍵合）或 ET - 嵌入式跡線，其中銅柱的焊帽放置在跡線頂部，而不是傳統(tǒng)的捕獲焊盤(pán)。銅柱尺寸和形狀，包括上述限制，可以限制繼續(xù)縮小間距的能力和路線圖。許多這些限制是由于能夠在基板側(cè)的柱子之間布線。隨著晶圓級(jí) RDL 等新技術(shù)的出現(xiàn)，互連路線圖將得到進(jìn)一步推進(jìn)，但在底部填充等制造工藝的高度/縱橫比方面仍然存在限制?！?/p>

其他人同意底部填充工藝會(huì)帶來(lái)挑戰(zhàn)。“當(dāng)你獲得更精細(xì)的間距和更小的凸起時(shí)，它們會(huì)變得更短。現(xiàn)在越來(lái)越難找到底層填充材料。過(guò)去，底部填充膠被設(shè)計(jì)為小于 5 密耳的間隙，現(xiàn)在它們降至 3 密耳，即 75 微米，”Schaefer 說(shuō)?！艾F(xiàn)在我們開(kāi)始看到 60 和 25 微米的間隙。我敢肯定人們正在研究新的底部填充膠。但是還有很多事情要做。一方面，當(dāng)你得到更細(xì)的顆粒時(shí)，它變得更像淤泥，這使得它更難流動(dòng)。這是一個(gè)需要移除的障礙?！?/p>

管理良率

隨著凸塊技術(shù)變得越來(lái)越小，額外的處理步驟——例如，用于創(chuàng)建銅柱的光刻——為良率檢測(cè)器開(kāi)辟了新的機(jī)會(huì)。對(duì)于成功的鍵合工藝，微粒、表面污染物和焊料凸點(diǎn)空洞都會(huì)影響良率。這些需要過(guò)程控制、計(jì)量和檢查。

需要自然控制污染。“一級(jí) OSAT 投資于降低工廠污染源的水平，從而降低缺陷率，”Amkor 的 Scott 說(shuō)?！盀r青不會(huì)導(dǎo)致缺陷。無(wú)論間距如何，都存在相似水平的缺陷?！?/p>

但是音高本身也帶來(lái)了一些挑戰(zhàn)。“隨著間距變小和凸點(diǎn)尺寸減小，顆粒污染管理非常重要。對(duì)于混合鍵合等其他類(lèi)型的互連，其中間距減小到 30μm以下并且表面與表面的接觸很重要，基于晶圓的潔凈室環(huán)境對(duì)產(chǎn)量至關(guān)重要，”ASE 的 Gerber 說(shuō)。

底部填充工藝的準(zhǔn)備工作也不應(yīng)被低估。

“一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于層壓板，你需要在倒裝芯片之后進(jìn)行底部填充，”P(pán)romex 的 Schaefer 說(shuō)。“我們決定將其放置在何處以及如何對(duì)其進(jìn)行回流。我們清潔它以清除芯片和基板之間間隙下的任何助焊劑材料。然后我們將用流動(dòng)的環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行底部填充。它旨在浸濕而不留下空隙和那種性質(zhì)的東西。但是，隨著我們進(jìn)入更精細(xì)的球場(chǎng)，我們面臨著挑戰(zhàn)。凸點(diǎn)變得更短，隨著它們變得更短，芯片和基板之間的間隙變得更小，因此更難清潔。想象一下，將兩個(gè)載玻片粘在一起，試圖清除它們之間的污垢?！?/p>

計(jì)量和檢測(cè)需求

對(duì)于管理過(guò)程控制和產(chǎn)量，計(jì)量和檢測(cè)工具發(fā)揮著重要作用。ASE 的 Gerber 說(shuō)：“除了在設(shè)置和定義的生產(chǎn)間隔時(shí)使用的過(guò)程中橫截面分析之外，市場(chǎng)上還有一些工具可以幫助提供有關(guān)互連完整性的指導(dǎo)。”

凸塊工藝和鍵合工藝各自具有需要監(jiān)控的特定特性。對(duì)于凸塊，計(jì)量學(xué)側(cè)重于直徑、高度和共面性。更小的間距需要更嚴(yán)格的凸點(diǎn)直徑和高度控制。類(lèi)似地，隨著凸塊高度的縮小，共面性窗口變得更小。通常，允許有 10% 的變化。例如，30μm的凸點(diǎn)高度會(huì)導(dǎo)致 ±3μm 的允許偏差。超過(guò)此值會(huì)導(dǎo)致粘合不成功或粘合不良。

“鍵合通常使用大回流焊爐完成，”Amkor 高級(jí)封裝和技術(shù)集成副總裁 Mike Kelly 說(shuō)?！盎亓鞴に嚨某跏继卣魇鞘褂藐幱安y來(lái)量化回流期間的翹曲，并使用烘箱的溫度映射來(lái)確保倒裝芯片部件本身的溫度控制一致。在設(shè)置過(guò)程中，進(jìn)行機(jī)械芯片提升和檢查以確保良好的焊料潤(rùn)濕。此外，助焊劑通常通過(guò)“浸入式助焊劑”施加，其中芯片凸點(diǎn)“浸入”薄的、嚴(yán)格控制的助焊劑儲(chǔ)層中。這些物品的目視檢查是在抽樣的基礎(chǔ)上進(jìn)行的?！?/p>

目視檢查自動(dòng)化程度的提高減少了對(duì)操作員查看圖像和做出決定的依賴。凸塊連接的指數(shù)增長(zhǎng)是一個(gè)驅(qū)動(dòng)因素。鍵合工藝的改變提供了另一個(gè)。自對(duì)準(zhǔn)回流焊工藝是一項(xiàng)成熟的技術(shù)。與先進(jìn)封裝中常用的熱壓鍵合，有通過(guò)電氣測(cè)試的可靠性機(jī)制。這反過(guò)來(lái)又促使使用 X 射線檢測(cè)和計(jì)量工具來(lái)查看鍵合后的凸點(diǎn)。

“對(duì)于低復(fù)雜性封裝，設(shè)施可以擺脫操作員和手動(dòng)檢查。對(duì)于具有 100 個(gè)凸點(diǎn)的零件，此方法是可行的。在 1,000 次顛簸時(shí)，這絕對(duì)是一種壓力。一旦零件有 10,000 個(gè)凸點(diǎn)，就沒(méi)有機(jī)會(huì)了。我們超越了這一點(diǎn)，我們需要轉(zhuǎn)向下一個(gè)方法，”Bruker 應(yīng)用和產(chǎn)品管理總監(jiān) Frank Chen指出. “質(zhì)量和復(fù)雜性是相輔相成的，因?yàn)楫?dāng)你試圖制造更復(fù)雜的東西時(shí)，你的產(chǎn)量會(huì)受到影響，并且需要一些新的工具。而工裝既是制程工具，又是計(jì)量工具，兩者需要并行推進(jìn)。從我們自己的研究中，我們看到，一旦你進(jìn)行了 1,000 次顛簸，你就需要開(kāi)始思考‘我的手動(dòng)技術(shù)不夠用，我需要一些新的東西?！?/p>

各種檢測(cè)和計(jì)量工具可用于支持封裝制造。

“有幾種方法可以或應(yīng)該用于實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制。首先，傳統(tǒng)二維檢測(cè) (AOI) 用于每個(gè)工藝流程（即 IQC、OQA、照片、清潔、電鍍等）的 100% 表面缺陷檢測(cè)。接下來(lái)，二維計(jì)量 (AOI) 可用于控制凸點(diǎn)尺寸和直徑尺寸控制。此外，3D 計(jì)量 (AOI) 可用于采樣凸塊高度/共面度計(jì)量信息采集（這通常使用基于激光三角測(cè)量的技術(shù)完成），”O(jiān)nto Innovation 產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理 Nathan Peng說(shuō). “此外，3D 計(jì)量可以針對(duì)單個(gè)凸點(diǎn)高度特征，通常使用白光干涉儀技術(shù)收集。此外，還有一些方法可以檢測(cè)凸點(diǎn)頂部的有機(jī)殘留物，這些有機(jī)殘留物可能導(dǎo)致凸點(diǎn)與焊盤(pán)連接失敗。”

結(jié)論

需要更高互連數(shù)量的產(chǎn)品繼續(xù)推動(dòng)互連路線圖。每種倒裝芯片技術(shù)都有制造限制，包括材料特性、挑戰(zhàn)底部填充技術(shù)的縮小尺寸，以及增加使用光刻技術(shù)來(lái)創(chuàng)建互連結(jié)構(gòu)。鍵合工藝的任何變化都會(huì)導(dǎo)致計(jì)量和檢測(cè)步驟的增加，以滿足良率和質(zhì)量目標(biāo)。

審核編輯：湯梓紅