凸塊制造技術演變及發(fā)展歷史

　　一、凸塊制造技術簡介

　　凸塊制造技術（Bumping）是在芯片上制作凸塊，通過在芯片表面制作金屬凸塊提供芯片電氣互連的“點”接口，廣泛應用于 FC、WLP、CSP、3D 等先進封裝。

　　凸塊是定向生長于芯片表面，與芯片焊盤直接相連或間接相連的具有金屬導電特性的凸起物。凸塊工藝介于產(chǎn)業(yè)鏈前道集成電路制造和后道封裝測試之間，是先進封裝的核心技術之一。

　　凸塊制造過程一般是基于定制的光掩模，通過真空濺鍍、黃光、電鍍、蝕刻等環(huán)節(jié)而成，該技術是晶圓制造環(huán)節(jié)的延伸，也是實施倒裝（FC）封裝工藝的基礎及前提。相比以引線作為鍵合方式傳統(tǒng)的封裝，凸塊代替了原有的引線，實現(xiàn)了“以點代線”的突破。該技術可允許芯片擁有更高的端口密度，縮短了信號傳輸路徑，減少了信號延遲，具備了更優(yōu)良的熱傳導性及可靠性。此外，將晶圓重布線技術（RDL）和凸塊制造技術相結合，可對原來設計的集成電路線路接點位置（I/O Pad）進行優(yōu)化和調整，使集成電路能適用于不同的封裝形式，封裝后芯片的電性能可以明顯提高。

　　二、凸塊制造技術演變及發(fā)展歷史

　　凸塊制造技術起源于 IBM 在 20 世紀 60 年代開發(fā)的 C4 工藝，即“可控坍塌芯片連接技術”（Controlled Collapse Chip Connection‘），該技術使用金屬共熔凸點將芯片直接焊在基片的焊盤上，焊點提供了與基片的電路和物理連接，該技術是集成電路凸塊制造技術的雛形，也是實現(xiàn)倒裝封裝技術的基礎，但是由于在當時這種封裝方式成本極高，僅被用于高端 IC 的封裝，因而限制了該技術的廣泛使用。

　?。╝） IBM 的首個具有 3 個端子晶體管的倒裝芯片組件；（b） IBM 首個在陶瓷基板上的倒裝芯片組件（3 個芯片）

　　C4 工藝在后續(xù)演化過程中逐漸被優(yōu)化，如采用在芯片底部添加樹脂的方法，增強了封裝的可靠性。這種創(chuàng)新使得低成本的有機基板得到了發(fā)展，促進了 FC 技術在集成電路以及消費品電子器件中以較低成本使用。此外，無鉛材料得到了廣泛的研究及應用，凸塊制造的材料種類不斷擴充。

　　在 20 丗紀 80 年代到 21 世紀初，集成電路產(chǎn)業(yè)由日本轉移至韓國、中國臺灣，集成電路細分領域的國際分工不斷深化，凸塊制造技術也逐漸由蒸鍍工藝轉變?yōu)闉R鍍與電鍍相結合的凸塊工藝，該工藝大幅縮小了凸塊間距，提高了產(chǎn)品良率。

　　近年來，隨著芯片集成度的提高，細節(jié)距（Fine Pitch）和極細節(jié)距（Ultra Fine Pitch）芯片的出現(xiàn)，促使凸塊制造技術朝向高密度、微間距方向不斷發(fā)展。

　　三、凸塊制造的主要技術類別

　　凸塊制造技術是諸多先進封裝技術得以實現(xiàn)和進一步發(fā)展演化的基礎，經(jīng)過多年的發(fā)展，凸塊制作的材質主要有金、銅、銅鎳金、錫等，不同金屬材質適用于不同芯片的封裝，且不同凸塊的特點、涉及的核心技術、上下游應用等方面差異較大，具體情況如下：

　　1.金凸塊

　　金凸塊，Gold Bumping，是一種利用金凸塊接合替代引線鍵合實現(xiàn)芯片與 基板之間電氣互聯(lián)的制造技術，主要用于顯示驅動芯片封裝。金凸塊制造技術主要用于顯示驅動芯片的封裝，少部分用干傳感器、電子標簽類產(chǎn)品。目前，LCD、AMOLED 等主流顯示面板的驅動芯片都離不開金凸塊制造工藝，后續(xù)可通過倒裝工藝將芯片倒扣在玻璃基板（Glass）、柔性屏幕（Plastic）或卷帶（Film）上，利用熱壓合或者透過導電膠材使凸塊與線路上的引腳結合起來。

　　金凸塊工藝流程

　　2.銅鎳金凸塊

　　銅鎳金凸塊，CuNiAu Bumping，是一種可優(yōu)化 I/O 設計、大幅降低了導通電阻的凸塊制造技術，凸塊主要由銅、鎳、金三種金屬組成，可在較低成本下解決傳統(tǒng)引線鍵合工藝的缺點。

　　在集成電路封測領域，銅鎳金凸塊屬于新興先進封裝技術，近年來發(fā)展較為迅速，是對傳統(tǒng)引線鍵合（Wire bonding）封裝方式的優(yōu)化方案。具體而言，銅鎳金凸塊可以通過大幅增加芯片表面凸塊的面積，在不改變芯片內部原有線路結構的基礎之上，對原有芯片進行重新布線（RDL），大大提高了引線鍵合的靈活性。此外，銅鎳金凸塊中銅的占比相對較高，因而具有天然的成本優(yōu)勢。

　　電子顯微鏡下的銅鎳金凸塊結構

　　由于電源管理芯片需要具備高可靠、高電流等特性，且常常需要在高溫的環(huán)境下使用，而銅鎳金凸塊可以滿足上述要求并大幅降低導通電阻，因此銅鎳金凸塊目前主要應用于電源管理類芯片。

　　銅鎳金凸塊工藝流程

　　3.銅柱凸塊

　　銅柱凸塊，Cu Pillar，是一種利用銅柱接合替代引線鍵合實現(xiàn)芯片與基板之間電氣互聯(lián)的制造技術。銅柱凸塊技術是新一代芯片互連技術，后段適用于倒裝（FC）的封裝形式，應用十分廣泛。

　　電子顯微鏡下的銅柱凸塊結構

　　銅柱凸塊技術是在覆晶封裝芯片的表面制作焊接凸塊，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的打線封 裝，可以縮短連接電路的長度、減小芯片封裝體積，使其具備較佳的導電、導熱和抗電子遷移能力。

　　銅柱凸塊制造主要步驟包括再鈍化、真空濺鍍、黃光、電鍍、蝕刻等，具體工藝流程圖如下：

　　銅柱凸塊工藝流程

　　4.錫凸塊

　　錫凸塊Sn Bumping，是一種利用錫（Sn）接合替代引線鍵合實現(xiàn)芯片與基板之間電氣互聯(lián)的制造技術。錫凸塊結構主要由銅焊盤（Cu Pad）和錫帽（SnAg Cap）構成（一般配合再鈍化和 RDL 層），錫凸塊一般是銅柱凸塊尺寸的 3~5 倍，球體較大，可焊性更強（也可以通過電鍍工藝，即電鍍高錫柱并回流后形成大直徑錫球），并可配合再鈍化和重布線結構，主要用于 FC 制程。

　　電子顯微鏡下的錫凸塊結構

　　錫凸塊技術可以為電鍍焊錫或植球焊錫，一般情況下，電鍍焊錫尺寸可控制的更小。錫凸塊多應用于晶圓級芯片尺寸封裝，可以達到小尺寸封裝，滿足封裝輕、薄、短、小的要求。

　　電鍍焊錫凸塊工藝流程

　　植球焊錫凸塊工藝流程

　　編輯：黃飛