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第 3 章 电路连线技术. 集成电路芯片须与封装结构的电路连接才能发挥既有的功能,电子封装常见的连线方法有打线键合( Wire Bonding ) , 卷带自动键合( Tape Automated Bonding TAB )与倒装芯片连接( Flip Chip Bonding FCB )等三种,倒装芯片连接也称为反转式芯片键合或控制崩溃芯片键合( Controlled Collapse Chip Connection C4 )这三种连线技术依工艺特性与集成电路芯片集成度( Input/ Output count I / O )的限制各有不同的应用范围如图 3.1 所示。.
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第3章 电路连线技术 集成电路芯片须与封装结构的电路连接才能发挥既有的功能,电子封装常见的连线方法有打线键合(Wire Bonding), 卷带自动键合(Tape Automated Bonding TAB)与倒装芯片连接(Flip Chip Bonding FCB)等三种,倒装芯片连接也称为反转式芯片键合或控制崩溃芯片键合(Controlled Collapse Chip Connection C4)这三种连线技术依工艺特性与集成电路芯片集成度(Input/ Output count I/O)的限制各有不同的应用范围如图 3.1 所示。
3.1打线键合技术 打线键合(焊接)技术为集成电路芯片与封装结构之间的电路连线最常被使用的方法。主要的打线键合技术有超声波键合(Ultrasonic Bonding U/ S Bonding ),热压键合( Thermocompression Bonding T/C ),热超声波焊接(Thermosonic Bonding T/S Bonding)等三种。其方法是将细金属线或金属带按顺序打在芯片与引脚架或封装基板的键合点(Pag)上而形成电路连接。图3.2 所示为打线键合的实例照片。
3.1.1打线键合技术的种类 超声波焊接以焊接楔头(Wedge)引导金属线使其压紧金属键合点上,再由楔头输入频率20-60kHz,振幅20-200μm的超生波,通过平行于键合点平面的超声振动,以及超声波的震动在垂直键合点平面的压力产生冷焊(Gold Weld)的效应而完成键合。输入的超声波除了能磨除键合点表面的氧化层与污染之外,主要的功能在形成所谓声波弱化的效应形成键合。
如图3.3所示,超声波键合只能产生楔头接点(Wedge Bond )。其优点为键合温度低、键合尺寸较小且导线回绕高度较低适合于键合点间距小、密度高的芯片连接。缺点是超声波焊接的连线必须沿着金属线回绕的方向排列,不能以第一接点为中心改变方向(见图7),因此在连线过程中必须不断地调整IC晶片与封装基板的位置以配合导线的回绕,从而限制了打线的速度,不利于大面积芯片的电路连线。铝和金线为超声波焊接最常见的线材,金线也可用于超声波焊接,它的应用可以在微波元件的封装中见到。
图3.4 (a)契形-契形键合 (b)球形-契形键合
热压键合的过程如图3.5所示,它首先穿过预热至温度300至400℃的氧化铝(Alumina,Al2O3)或炭化钨(Tungsten Carbide,WC)等高温耐火材料所制成的毛细管状键和工具(Bonding Tool/Capillary,也称为瓷嘴或焊针)的金属线末端,再以电子点火(Electronic Flame-off, EFO)或氢焰(Hydrogen Torch)将金属线烧断并利用熔融金属的表面张力效应使线之末端灼烧成球(其直径约金属线直径之2至3倍),键和工具再将金属球下压至已预热至约150至250℃的第一金属键合点上进行球形键合(Ball Bond)。在键合时,球点将应受压力而略微变形,此一压力变形的目的在增加结合面积、降低结合面粗糙度对键合的影响、穿破表面氧化层及其它可能阻碍键合的因素,以形成紧密键合。球形键合完成后,键合工具升起并引导金属线至第二个金属键合点上进行契形结合,由于键合工具顶端为一圆锥形,得到第二键合点通常呈新月状(Crecent Bond),热压键合属于高温键合过程,金线因具有高导电性与良好的抗氧化特性而为最常被使用的导线材料;铝线亦可被用于热压键合,但因铝线不易在线的末端成球,故一般仍以契形键合点的形态完成连线键合。
热超音波键合为热压键合与超音波键合的混合技术。热超音波键合亦须先在金属线末端成球,再使用超声波脉冲进行导线材与金属接垫间的接合。热超声波结合的过程中接合工具不被加热而仅接合之基板维持在100至150℃的温度,此一方法除了能抑制键合界面介金属化合物(Intermetallic Compounds)之成长外,并可降低基板的高分子材料因温度过高而产生劣化变形之机会,因此热超声波接合通常应用于接合难度较高的封装连线。金线为热超声波键合最常被使用的材料。
3.1.2打线键合的线材与可靠度 • 铝线是超声波键合最常见的导线材,纯铝的线材因为材质太软故极少使用,标准的铝线材为铝-1%硅合金,含有0.5至1%镁的铝线为导线材的另一种选择,它的强度与延性与铝-硅线材相近,但抗疲劳性更为优良,金属间化合物形成的困扰也较少;此外,铝-镁-硅、铝-铜等合金线材料亦可供超声波键合使用。 • 金具有优良的抗氧化性,因此成为热压键合与热超声波键合的标准导线材料,铝线也可以作为热压键合的导线材料,但因末端成球比较困难,故通常以契形键合的方式完成连线。99.99%纯度的金线为最常见的金线材料,为了增加其机械强度,金线中往往添加有5至100ppm的铍或30至100ppm的铜。金线亦可用于超声波键合,它的应用可以在键合点面积较小的微波元件的电路连线中见到。
开发其他种类线材的目的在于取代成本较高的金线与寻求更高强度的线材,银亦可以作为热压键合与热超声波键合的线材,但它比较容易形成金属间化合物,也有较严重的氧化与腐蚀问题,在高温环境中容易电迁移(Electro -migration)是银线材的另一个缺点;铜、钯等线材亦曾被使用于热压键合与超声波键合中,但他们的商业化应用目前仍处于开发中的阶段。 • 早期打线键合须由人工操作而相当耗时耗力,键合点的键合质量也受到操作者技术熟练程度的影响;今日打线键合则普遍以电脑自动化的方式进行,键合的速度可高达每秒10点,自动化也使打线键合能与其他各种新型键合技术竞争,此外,对于键合环境与温度条件控制、键合点基座金属化工艺与清洗方法、线材纯度、芯片粘结材料等因素的改进,控制和提高打线键合的可靠度及最优化,因此打线键合仍然是当今封装连线技术的主流。打线键合受制程空间条件的限制(成球的大小,键合工具的形状与大小,接垫的几何排列等因素),一般以低密度的连线封装(约300个接点以下的芯片的连线)为应用对象。
影响打线键合可靠度的因素包括应力变化、封胶与芯片粘结材料与线材的反应、腐蚀、金属间化合物形成与晶粒成长引致的疲劳及浅变因素(Stress-induced Creep)等影响,键合的可靠度通常以拉力试验(Pull Test)与键合点剪切试验(Ball Shear Test)测试检查。金线与铝键合界面金属间化合物的形成为打线键合破坏最主要的原因,也是被研究最多的现象,脆性的金属间化合物会使键合点在受周期性应力作用时引发疲劳或浅变破坏,常见金属材与铝键合反应产生的金属间化合物有AuAl2(俗称紫斑,Purple Plague)与Au5Al2(俗称白斑,White Plague)等。 • 线材、键合点金属与金属间化合物之间的交互扩散产生的Kirken-dall孔洞也是强度降低与断裂的原因,此外键合点金属化公艺与其他封装材料也可能反应形成金属间化合物而导致破坏。为了避免金属间化合物的形成,对键合时间与温度等工艺条件须有效控制,以避免这些破坏因素的形成,通常在实际生产线都有规定的打线键合工艺规范。
3.2卷带自动键合技术(TAB) TAB键合技术源自于1968年美国通用电气公司(General Electrical GE)所开发的Minimod封装模块技术,其利用搭载有蜘蛛式金属引脚的树脂卷带完成IC 芯片与封装基板之间的电路连线(见图3.6)。早期TAB技术多应用于集成数较少的消费性芯片的电子产品中,随着工艺与材料技术的进步,TAB也能提供高连线密度(可高达600个键合点)、自动化的键合,TAB也能提供封装前电性测试、低人工成本等优点,这些特性使TAB仍然是今日超大型集成电路及高速电子元件封装常被考虑使用的连线技术,在电脑及其周边设备、航天通讯、医学、消费性电子产品中均被广泛地使用。TAB技术的流程如下:
3.2.1 TAB的种类 • IC芯片制作完成后其表面均镀有钝化保护层(Passivation Layer),其厚度高于电路键合点,因此必须在IC芯片的键合点上或TAB卷带的内引脚前端先长成键合凸块(Bump)才能进行后续的键合,通常TAB技术也据此区分为凸块化卷带TAB(Bumped Tape TAB)与凸块化芯片TAB(Bumped Chip TAB)两大类,也有根据如前所述,把能做平面式引脚键合的平列式TAB(Area或Array TAB)与应用于多芯片模块封装键合的TAB(MCM TAB)包括进来,TAB技术区也可分为四大类。 • 凸块式卷带TAB如图3.8(a)所示,该方法先在卷带内引脚的前端长成台地状金属凸块(Mesa Bump);单层卷带可配合铜箔引脚的蚀刻制成凸块,在双层与三层卷带上,因为蚀刻的工艺容易导致卷带变形,而使未来键合时发生对位错误,因此双层与三层卷带较少应用于凸块式卷带TAB的键合。
凸块式芯片TAB如图3.8(b)所示,先将金属凸块长成于IC芯片的铝键合点上,再与卷带的内引脚键合。预先长成的凸块除了提供引脚接合所需的金属化条件外,并可避免引脚与IC芯片间可能发生短路,但制作长有凸块的IC芯片是TAB工艺最大的困难。凸块式芯片TAB如图3.8(b)所示,先将金属凸块长成于IC芯片的铝键合点上,再与卷带的内引脚键合。预先长成的凸块除了提供引脚接合所需的金属化条件外,并可避免引脚与IC芯片间可能发生短路,但制作长有凸块的IC芯片是TAB工艺最大的困难。 • 键合凸块的制作是TAB技术的关键一环,而凸块制作也是一项成本高、难度大的技术,如何改进凸块键合技术也因此成为一项热门的研究课题,日本Matsushita公司所开发的凸块转移技术(Bump Transfer Process)即为一著名的例子。凸块转移技术系先在玻璃基板上利用光刻成像电镀等技术长成与卷带内引脚前端位置相对应的键合凸块,先将凸块转移至引脚完成第一次键合后,再转移至IC芯片完成与其键合点的键合(见图12)。凸块转移技术将凸块长成的工艺区分出来,厂商只须购进一般的IC芯片,再委托专门的厂商制作适用的凸块即可进行TAB键合;由于不必在IC芯片或卷带上制作凸块,因此可以降低IC芯片受到损伤的机会,降低生产成本,也可提高TAB技术的可靠性和标准化的通用性。
3.2.2 TAB的键合 TAB的键合包括内引脚键合和外引脚键合,图3.10和图3.11分别描述这两种接合的步骤。要获得良好的键合质量应注意键合过程中加热与加压条件的均匀性,此外,均匀的凸块高度、引脚的清洁与表层电镀状态也是影响键合质量的重要因素。
图3.10 TAB之内引脚键合(a)芯片对立(b)热压键合(c)热压头升起(d)芯片移出
卷带制作与凸块化工艺完成之后,即可进行芯片与卷带的内因矫健合。内引脚与外引脚之键合可利用单点键合(Single-point Bonding)或群集式键合(Gang Bonding)的方式完成,单点键合类似打线键合,可使用热压键合、超声波键合、热超声波键合、激光键合(Laser Bongding)、或回焊(Solder Reflow)等方法完成。单点键合的优点包括卷带平面平整度与卷带及凸块间高度变化不会严重影响键合质量,准备时间短,引脚的键合品质相似等;缺点则为键合速度慢。集群键合则可使用热压键合的方法、合金熔接(Dynamic Alloy Formation)、或回焊等方法,而其中以热压键合最常被采用。集群键合的速度虽快,但键合平面的平整度、凸块/引脚间之高度差异及对位等问题很容易影响引脚键合质量。导电性有机黏着剂也可作为外引脚键合材料使用,但此材料所得到键合强度与韧性均较其它方法差。
3.2.3 TAB技术的材料 • TAB技术使用搭载有电路引脚图形的卷带进行键合,卷带的形状与电影片胶带十分类似(图3.7),其中可区分为单层、双层及三层等三种。卷带一般制成长带状并绕于一卷轴上,其形状与电影影片带十分相似。标准的卷带宽度规格有35mm,48mm,及70mm三种,厚度有75µm、100µm、125µm三种;卷带上测定端子的标准间距(pitch)则有0.25mm,0.37mm,及0.5mm三种。 • 单层卷带以金属箔片制成(见表14.2),可以使用的材料种类有铜、铝、镍、钢及不锈钢等,其中以0.07mm厚的滚压退火铜箔最为常见。单层金属卷带可直接提供凸块化芯片TAB的键合使用,或者在引脚表面制成凸块以供凸块化卷带TAB键合使用。单层卷带的键合优点为价格低廉而且能在高温工艺中使用,但因卷带全部为金属制成,因此不能在工艺中进行电性能测试,单层卷带也因为没有任何辅助支撑结构,在引脚过长时及输送取放的过程中容易产生变形。
双层卷带一般以0.035mm厚的铜箔片及0.013mm至0.051mm厚的高分子胶膜叠合制成(见表3.1),聚亚硫胺(PI)为最常见的高分子胶膜材料。制作双层卷带可将聚亚硫胺涂布到铜箔上或将铜电镀到聚亚硫胺胶膜上,再以刻蚀的技术制作成卷带的传动孔(Sprocket)、元件孔(Device Hole)及金属引脚图形等。双层卷带因为搭载有聚亚胺硫胶膜而具有优良的强度,其它的优点包括卷带上引脚图形等的设计有最大的自由度,适合高温制作使用、电性能优良、允许在键合工艺中进行电性能测试、可以制出导孔供平列式TAB键合使用等;缺点则为卷带价格昂贵、卷带较宽与引脚较长时容易产生屈扰变形、引脚拉力强度与输送取放特性逊于三层卷带等。
卷带上的铜箔引脚通常覆有电镀的金和锡用以防止铜箔氧化。电镀的金层约0.64至1.5µm厚,电镀的锡层或无电电镀的锡层约0.64µm厚。镀金的引脚某些时候也加镀一层厚约0.25至1µm的镍层于金与铜之间。考虑到铜的电迁移行为和锡的氧化现象,镀锡的引脚在储存与进料时需注意检查可能引发表面润湿能力降低及须晶(Whisker)成长而导致相邻引脚间短路等缺陷发生。引脚表面的镀层不同,后续的键合工艺条件也不相同,镀金引脚利用热扩散键合与金凸块键合,镀锡引脚则利用金-锡共晶反应与金凸块进行键合,镀金引脚的键合温度、时间与压力条件皆高于镀锡引脚,所得的键合强度也较高。卷带上的铜箔引脚通常覆有电镀的金和锡用以防止铜箔氧化。电镀的金层约0.64至1.5µm厚,电镀的锡层或无电电镀的锡层约0.64µm厚。镀金的引脚某些时候也加镀一层厚约0.25至1µm的镍层于金与铜之间。考虑到铜的电迁移行为和锡的氧化现象,镀锡的引脚在储存与进料时需注意检查可能引发表面润湿能力降低及须晶(Whisker)成长而导致相邻引脚间短路等缺陷发生。引脚表面的镀层不同,后续的键合工艺条件也不相同,镀金引脚利用热扩散键合与金凸块键合,镀锡引脚则利用金-锡共晶反应与金凸块进行键合,镀金引脚的键合温度、时间与压力条件皆高于镀锡引脚,所得的键合强度也较高。
3.2.4键合凸块的制作 IC芯片上的键合凸块制作为凸块化芯片TAB的关键步骤。凸块可以利用金或铅锡合金制成,而以金为最常见的凸块材料。图3.10所示为传统的金凸块制作流程。
图3.10 金凸块制作流程 (a)芯片清洁(b)溅镀粘着层(c)光刻成像(d)电镀金凸块 (e)除去光刻胶(f)选择性刻蚀除去凸块底部以外的多层金属膜
如图3.10(a)-(c)所示,首先需在芯片键合上表面上溅镀上能提供粘着、扩散阻挡与保护功能的多层金属薄膜,又称为阻挡层金属化工艺(Barrier Metallurgy)。多层金属薄膜通常由三层金属薄膜组成,粘着层(Adhesion Layer)在提供IC芯片上铝键合点与凸块间良好的键合力与低接触电阻(Contact Resistance)特性,常用的材料为钛、铬或铝,它们的特性如表3.2所示。扩散阻挡层(Barrier Layer)的功能在阻止芯片上的铝与凸块材料间的扩散反应,常使用的材料为钯、铂、铜、镍或钨,它们的特性如表3.3所示;表层的金的作用则为抗氧化保护。常见的多层金属薄膜系统有钛-钯-金、钛-铂-金、铬-镍-金、钛-钨-金等。步骤(d)的作用产生软质的金属凸块以配合后续的热压键合工艺,因此电镀完成的金凸块要进行退火处理以降低其硬度。步骤(f)的选择性蚀刻为凸块工艺的关键步骤。是要防止凸块底部阻挡层金属的侧侵蚀(Undercut)以免破坏原来IC芯片上的铝导线与接垫结构。
表3.2 粘着层材料种类和应用特性 (RH:热蒸镀;EB:电子束蒸镀;SP:溅度)
表3.3 扩散阻挡层材料种和应用特性 ( RH热蒸渡 EB电子束蒸渡 SP溅渡 )
传统的金凸块工艺极为繁琐,为因应产品的需要、简化工艺及降低成本,许多形状、结构,使用材料各异的键合凸块被开发出来,各种工艺技术也曾被报道,例如,以超声波点焊配合无电电镀长成焊锡凸块,以无电电镀技术(Electroless Plating)长成镍或铜键合凸块、以打线键合的成球技术制成金球凸块、以及溅镀技术制成铝键合凸块等。
3.2.5封胶 • 完成内引脚键合与电性测试后,芯片与内引脚面或整个IC芯片必须再涂上一层高分子胶材保护引脚、凸块与芯片,以避免外界的压力、震动、水气渗透等因素造成的破坏(见图3.13)。环氧树脂(Epoxy)与硅胶树脂(Silicone)为TAB工艺最常使用的封胶材料。 • 环氧树脂可以盖印或点胶的方法涂布,可包覆整个芯片或仅涂布完成内引脚键合的芯片表面。环氧树脂应选择密封性好、应力小的材料,涂布过程中应注意厚度与形状变化,烘烤硬化时应注意加温条件控制,避免气泡和预应力的产生。
3.3倒装芯片键合技术 • 倒装芯片技术约在1960年由美国IBM公司所开发,目的在取代速度较慢的打线键合,降低成本及提高器件连线可靠度。如前所述的打线键合与TAB仅能提供外围阵列式(Perimeter Array)键合,倒装键合则属于区域阵列式(Area Array)键合,因此更适合于高密度封装连线的应用,在未来的IC连线与键合中,倒装芯片键合将有更为广泛的应用,目前封装市场上所推出的球阵列式封装(BGA)既为倒装芯片键合应用的实例之一。 • 倒装芯片连接的概念如图3.14所示,是先在IC芯片的键合点上长成焊锡凸块(Solder Bump),将IC芯片置放到封装基板上并完成连接点对位后,以回流(reflow)热处理配合焊锡熔融时的表面张力效应使焊锡成球并完成IC芯片与封装基板的连接。
3.3.1焊锡凸块的制作与材料 • 倒装芯片键合的首要步骤为在IC芯片上长成焊锡凸块(Solder Bump),IBM公司所开发的金属掩模技术(Metal Mask Technology)可谓为焊锡凸块的标准技术,其制作的方法为在IC芯片表面先镀上一玻璃保护层,以提供IC芯片的密封性保护并防止焊锡回流时的不当润湿;然后将IC芯片键合点位置上的玻璃保护层除去,覆上金属片制成的掩模,并镀上类似TAB金凸块制作时的多层金属薄膜(称为Ball Limited Metallurgy, BLM或Under Bump Metallurgy, UBM)。 • 以提高粘着性并提供焊锡润湿所需的金属化条件;将适当厚度的铅与锡再被蒸镀着到镀有多层金属薄膜的键合点表面,其厚度比例依所需的合金成分通常为95%铅-5%锡或98%铅-2%锡;将铅锡镀着完成的IC芯片自真空蒸镀系统中取出,借助于焊锡对玻璃保护层及键合点表面金属层润湿性质的差异,以350℃氢气气氛的回流热处理配合焊锡熔融的表面张力效应使台地状的焊锡层转变成球形的焊锡凸块(见图3. 14(a))。在封装基板上也同时制有类似的多层金属膜键合点结构(称为Top Surface Metallurgy, TSM),将长有焊锡凸块的IC芯片与传导基板对齐后,再利用回流热处理既可使IC芯片与封装基板键合(见图3.14(a))。
图3.14 (a)倒装芯片的连接结构 (b)焊锡凸块结构
焊锡凸块也可用焊锡沉浸(Solder Dip)或无电电镀配合超生波点焊的方法制成。使用金属掩模技术须在焊锡真空镀著系统上有相当的投资,对数量较小的生产而言成本较高;使用电镀方法制作虽然有低成本的优点,但是须注意任何酸或碱的溶液对焊锡均有腐蚀性,因此在焊锡电镀完成,以刻蚀除去底部的多层金属薄膜时,如何不损及焊锡凸块部份为工艺最为重要的步骤。 • 焊锡凸块成分的选择取决于凸块下基板材料的种类与封装的程序。95%铅-5%锡(熔点为315℃)是倒装芯片键合一般最常被使用的焊锡凸块材料,它是高熔点焊锡,所完成的倒装芯片键合不易被后续的热处理工艺破坏,若进行易受焊锡凸块工艺影响的元件的C4连线(如砷化镓与超导元件),则必须使用低熔点的焊锡,例如51%铟-32.5%铋-16.5%锡(熔点约60℃)、63%铅-37%锡(熔点约183℃)或50%铅-50%铟(熔点约220℃)。
3.3.2倒装芯片连接的可靠度 在倒装芯片键合中,IC芯片与基板材料的热膨胀系数如有差异(例如,硅芯片键合于氧化铝陶瓷基板上),则因系统重复操作所致的周期性横向位移变化将对焊锡接点产生疲劳破坏,该现象也是可靠度研究中重要的题目。除了疲劳破坏之外,影响焊锡接点寿命的因素还包括接点中性点(Neutral Point)的距离、高度、焊锡材料种类等,提升焊锡接点的抗疲劳性质与可靠度可有下列数种方法进行:
1) 选择与 IC芯片的热膨胀系数相近的材料为封装的基板(如氧化铝、碳化硅、硅、玻璃陶瓷等); • 2) 焊锡凸块几何分布的最优化,改变焊锡键合点的形状与高度等; • 3) 改变焊锡的化学组成,使有较佳的抗疲劳性质; • 4)在焊锡接点之间填充有机树脂材料。
改变焊锡接点的形状与高度的方法,Satoh等人开发的SST(Self-stretch Technology)技术,利用另一组熔点较高的焊锡将原来为酒桶形的焊锡接点拉长,其可提高焊锡接点的寿命达倍以上;Matsui与Horikoshi等人则分别将两个以上的焊锡凸块叠合,以增加焊锡接点的抗疲劳性。在焊锡成分选择的方面,铅-铟合金比常用的铅锡合金有更优良的抗疲劳性,合金中铟的含量愈高,接点的抗疲劳性质愈佳。但高铟含量的焊锡接点在高湿度的环境中,对密封性程度较低的封装将加速其金属腐蚀及合金中的原子的热迁移(Thermomigration)现象。 • 为求得抗疲劳性的提高与工艺限制的平衡,以铅-铟合金进行倒装芯片键合时通常以含50%铟的合金为上限。新的研究显示在焊锡接点之间填充聚亚硫胺、硅胶、环氧树脂等可以提高接点的寿命达5至10倍以上。