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芯片的 3D 封装技术

芯片的 3D 封装技术. F. Ren Department of Chemical Engineering University of Florida Gainesville, FL 32611 ren@che.ufl.edu. 摘 要. 动因 倒装焊 UV 激光钻孔 ICP 导通孔刻蚀 结论. 动 因. AlGaN/GaN HEMTs and MMICs 功率放大器方面的发展 实现晶片导通孔以使低电感接地成为可能. 倒 装 焊. 倒装焊是一种不使用焊线和引线的集成电路互联和封装的方法 倒装的优点

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芯片的 3D 封装技术

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Presentation Transcript

  1. 芯片的3D封装技术 F. Ren Department of Chemical Engineering University of Florida Gainesville, FL 32611 ren@che.ufl.edu

  2. 摘 要 动因 倒装焊 UV激光钻孔 ICP导通孔刻蚀 结论

  3. 动 因 • AlGaN/GaN HEMTs and MMICs 功率放大器方面的发展 • 实现晶片导通孔以使低电感接地成为可能

  4. 倒 装 焊 • 倒装焊是一种不使用焊线和引线的集成电路互联和封装的方法 • 倒装的优点 • 更高速的互联 • 低功率消耗 • 小针脚占用少的面板面积 • 轻重量封装 • 实现倒装的要求 • 需要隆起焊盘支起凹处的I/O盘以实现电互联及模具与衬底的连接

  5. 倒 装 焊

  6. Sn-Pb共晶焊焊盘形成过程

  7. PbSn焊料块的SEM图 • 电镀后的PbSn焊料块(UBM:Ti:W/Cu) • 回流焊后的PbSn焊料块(间距：50um,直径25um) • 典型回流焊温度：250℃

  8. M-9A倒装焊机 • 焊接精确度：± 0.5 um • 低压力（至9kg） • 温度：至 400℃ • 空气轴承组件 • 精确平面度控制 • 上下操作台的N2净化 • 闭路温度 • 力反馈 • 动力化的平板 • 光学系统 • 隙缝光学系统 • 明场暗场照明

  9. M-9A倒装焊机简介 上样品台： 基座和芯片 下样品台： 焊料块

  10. 下操作台概览 上样品台 下样品台 上升器 Z向移动限制 X向移动限制

  11. 对齐-视频信号 样品经操作杆对齐后 样品对齐前

  12. In-Au 焊接程序 改进过程 目前过程 时间 时间 1、程序开始：30sec 2、样品接触并加热：1min30sec 2’、样品加压：200g至400g 3、样品焊接：15min 4、冷却：7min30sec 5、充气

  13. 混合MEMS可调谐滤波器倒装焊图示

  14. 焊料块的喷墨沉积系统

  15. Ag/Sn 焊料块：96.5%Sn/3.5%Ag

  16. 金属线喷墨沉积系统

  17. 互联的喷墨沉积系统 铜导电体 打印焊料快 沉覆介电层 打印焊料互联 沉覆介电层

  18. 器件制造喷墨系统

  19. PbSn合金性质 • Pb提高抗腐蚀性 • 降低回流焊温度 • 37:63Pb:Sn：183℃，纯Sn:232℃ • 降低表面张力： 470dyne/cm 37:63:Pb:Sn, 183℃ 550 dyne/cm: 纯Sn,232℃ • 缺点：毒性

  20. PbSn合金性质

  21. 无Pb焊料块发展 • 纯Sn：熔点232℃ • 共晶Sn:Cu(0.8%)：熔点227℃ • 共晶Sn:Ag(3.5%)：熔点221℃ • Sn:Ag(3.5%):Cu(0.7%)：熔点218℃

  22. AgSn合金性质

  23. AgSn合金性质 • 控制Ag组分避免熔点剧烈升高 • ∼ 3.5% Ag = 221 °C • ∼ 10% Ag = 300 °C

  24. CuSn合金性质

  25. CuSn合金性质 • 控制Cu组分避免熔点剧烈升高 • ∼ 0.7% Ag = 227 °C • ∼ 5% Ag = 375 °C

  26. 焊料分解速率 250℃215℃ 金 167 67 铜 5.3 3.2 钯 2.8 0.7 镍 0.2 < 0.2 （微英寸/秒）

  27. 激光钻孔 • 导通孔制备的一种方法 • 极高的刻蚀速率：10s左右 • 选择合适的激光，装置，优化功率，可产生较小的碎片， 并无干法刻蚀中的掩膜沟道或微掩膜效应 • 激光提供可观的材料适用弹性，并不需要附加的过程

  28. 背面过程中的激光通孔

  29. 激光钻孔的机制

  30. UV激光钻孔装置 大面积加工

  31. UV激光钻孔的光束轮廓 未整形的准分子激光光束是高斯及 平台顶分布，不适合均匀的曝光

  32. 单一装置的多重钻孔

  33. UV激光钻孔实例

  34. UV激光钻孔实例

  35. UV激光钻孔实例 末端斜坡

  36. UV激光钻孔实例 集成了液体储存器及通道的喷嘴 锁口喷嘴 30um出口

  37. UV激光钻孔实例

  38. 圆柱形物件的钻孔

  39. UV激光钻孔实例 直径：75+/-2 um 零倾斜孔 0.5mm衬底

  40. 准分子激光成型vs基于光刻的成型技术 (a) 激光烧蚀技术 (b) 基于光刻的技术

  41. UV激光钻孔实例

  42. UV激光钻孔实例 高产率和快划线速率产生的极窄结果

  43. 动 因 • 激光钻孔速度快，但串行，产生小颗粒，且对正面金属无选择性 • ICP刻蚀更适合大面积晶片及大导通孔密度的器件

  44. 目 标 • ICP刻蚀SiC通孔的发展 • 刻蚀速率应超过250nm/min • 刻蚀轮廓应各向同性 • 高的掩膜选择比 • 微掩膜效应最小化 • Au被刻穿前刻蚀须停止

  45. 以前的工作 • SiC晶片总厚度: ～275um • ICP 刻蚀条件： • SF6：50sccm • O2：10sccm • 压强：7mTorr • ICP功率：750-950mW • Rf功率：100-250mW • 温度：25℃ • 速率：~0.65um/min 严重的微掩膜

  46. 沟道效应 • 7mTorr下，沟道效应明显 • Au被刻穿的危险增大 • 起因：高离子流导致孔底部的离子堆积 • 将压强增至12mTorr可消除沟道效应 • ICP功率和离子能量没有作用 • 速率同时降至250nm/min

  47. 提高刻蚀速率 • 使用SF6/O2 刻蚀速率很慢 • 12mTorr下，250nm/min • 刻蚀深度及暴露面积增大，孔直径减小时，刻蚀速率下降 • 目标： • 确定速度限制阶点 • 提高刻蚀速率，但不破坏刻蚀轮廓，避免沟道及微掩膜效应

  48. 提高刻蚀速率：等离子体化学组分 • 加入阳性气体提高正离子流量 • He,Ar 都可以提高速率 • 与He相比，Ar原子更重，具有较低的电子碰撞电离阈值能 • 够到效应仍然存在，但可以忽略 • 50sccm的流量最优

  49. 微掩膜效应 • 严重问题导致大块导通孔刻蚀失败 • 形成柱状物 • 高密度的柱状物导致刻蚀失败

  50. 微掩膜效应：起源 • 不挥发性刻蚀产物的再沉积 • 坚硬的刻蚀掩膜 • 托盘 • 刻蚀腔体：铝夹具 • SiC中的缺陷 • 传递 • 研磨过程产生的颗粒和缺陷

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