微凸点技术

转自【环球 SMT 与封装】特约稿

吴懿平博士

华中科技大学 连接与电子封装中心 教授/博导

广州先艺电子科技有限公司 技术总监

【摘要】人类已经进入到超越摩尔定律（More than Moore Law）时代（后摩尔时代）。我们不再一味关注芯片本身的性能与功耗，而是从电子产品角度出发，在不改变半导体制程节点工艺的情况下，借助先进封装技术，将异质芯片通过并排或垂直堆叠的方式 集成至同一封装体内。由于芯片沿高度方向进行堆叠能够大幅减小封装尺寸，提高封装结构的空间利用率，从而实现封装互连密度的进一步提升。芯片垂直堆叠结构的三维（three dimension, 3D）封装技术，不仅在封装尺寸和互连密度方面有显著优势，而且3D 封装还可以缩短芯片之间的互连距离，降低互连电阻和噪声，最终降低了芯片功耗、提升了芯片的电性能。3D 封装技术的高速发展主要依赖于三个重要的技术突破：微凸点（Microbump Bonding）互连技术、晶圆减薄（Wafer Thinning）技术、硅通孔（Through Silicon Vias, TSV）技术。本文就专稿向读者介绍实现芯片之间互连的关键技术——微凸点技术。

【关键词】微凸点、后摩尔时代、铜柱、先进封装

1 引言

摩尔定律问世至今，晶体管的特征尺寸已经减小至 5 nm，并实现了商用量产。以手机芯片为例，华为手机Mate 40 就搭载了台积电采用 5nm 工艺代工的 SoC（System on Chip）芯片——麒麟 9000，已经逼近摩尔定律的物理极限。进一步减小栅极光刻宽度，将会产生隧道效应并引发漏电流问题，导致芯片逻辑错误，同时还使得芯片的研发与制造成本呈指数上升。超越摩尔定律的束缚，我们不再一味追逐光刻尺寸的进一步缩小，不再关注芯片本身的性能与功耗，而是从电子产品角度出发，在不改变半导体制程工艺节点的情况下，借助先进封装技术，将异质芯片通过并排或垂直堆叠的方式集成至同一封装体内。以晶圆级芯片封装（Wafer Level Chip Scale Packaging, WL CSP)、系统级封装（System in Package, SiP）和扇出型晶圆级封装（Fan-out wafer level package, FOWLP）技术为代表的先进封装技术，不仅能够进一步提高器件的集成度，而且还能够大幅缩短产品的研发周期，降低研发成本。通过先进封装，将芯片沿高度方向进行堆叠，大幅减小了封装尺寸，提高了封装结构的空间利用率，进而实现了装互连密度的进一步提升。芯片垂直堆叠三维（three dimension, 3D）封装技术，不仅在封装尺寸和互连密度方面有显著优势，而且 3D 封装还可以缩短芯片之间的互连距离，降低了互连电阻和噪声，最终降低了芯片功耗、提升了芯片的电性能。3D 封装技术的高速发展主要依赖于三个重要的技术突破（如图 1）：微凸点（Microbump Bonding）互连技术、晶圆减薄（Wafer Thinning）技术、硅通孔（Through Silicon Vias, TSV）技术。

与引线键合（Wire Bonding）技术相比，面分布凸点阵列的应用大幅提高了封装结构中的空间利用率，打破了焊盘只能布置在芯片四周的限制，I/O 端子可布满整个芯片，使得芯片之间的互连密度得到几何级数增长。

凸点作为封装结构中的重要一环，提供了堆叠芯片及固定装配所需的机械支撑，并实现了堆叠芯片之间的电气互连。在3D 电子封装结构中为了完成芯片、转接板和基板之间的垂直互连，会用到以下三种不同尺寸的凸点： 最大尺寸的球栅阵列焊球（Ball-Grid-Array Solder Ball, BGA ball），其直径范围通常在 0.25-0.76 mm；中等尺寸的倒装凸点（Flip-Chip Solder Bump，FC Bump），也被称为可控塌陷芯片焊点（Controlled Callapse Chip Connection solder joint, C4 solder joint），其直径范围通常在 100-150μm；而最小尺寸的微凸点（micro bump），

其直径可小至 2μm。而微凸点可以通过光刻电镀的方法在整片晶圆上进行大规模制备，极大地提高了生产效率，从而实现批量封装成本的下降。为了保证高质量实现芯片之间的互连，针对不同尺寸的凸点需要选择不同的凸点结构、不同的凸点制备方法和对应的互连方式。以凸点结构为依据，可将微凸点分为以下三类：焊料凸点、铜柱凸点和键合铜凸点。本文专稿向读者介绍先进电子封装中的一种实现芯片之间互连的关键技术——微凸点技术。

2 几种焊料凸点的制备工艺

对于尺寸较大的 BGA 凸点和倒装焊凸点，焊料凸点是最为经济有效的凸点结构。常用的焊料凸点材料有共晶铅锡合金、熔点为 330-350°C 的高铅铅锡合金（95Pb/5Sn 和 97Pb/3Sn）以及无铅的锡基合金、铟合金等。焊料凸点的制备方法主要有：丝网印刷、蒸镀、化学镀和电镀凸点，钉头凸点、放球凸点以及焊料转移凸点等等。其中丝网印刷作为最成熟的凸点制备技术，可良好地控制焊料组分以满足对焊点的性能要求，并且兼具高效、高可靠性和低成本等优点，适合大尺寸凸点的制备。对于焊料凸点，常用的材料是 Pb/Sn 合金，在回流焊过程中具有自中心作用以及焊料下落等。自中心作用减小了对芯片贴放的精度要求；下落特点减小了共面性差的问题。具体材料有共晶铅锡合金凸点、熔点为330-350℃ 的高铅铅锡合金凸点（95Pb/5Sn 和 97Pb/3Sn）以及无铅的锡基凸点等。

2.1 蒸镀焊料凸点工艺

蒸镀焊料凸点有两种方法，一种是 C4 技术，整体形成焊料凸点；另一种是 E3 技术，在凸点顶部局部蒸镀一层锡，以便在倒装芯片与基板回流焊时局部熔化而焊合。图 2 为蒸镀焊料凸点的形成原理示意图。

2.2 电镀焊料凸点工艺

电镀焊料是一个成熟的工艺。采用电镀焊料凸点，需要先整体形成 UBM 层并用作电镀的导电层，然后再用光刻胶保护不需要电镀的地方。一旦电镀形成了厚的凸点后，再除去光刻胶并刻蚀不需要的 UBM，然后经回流形成凸点阵列。图 3 为电镀焊料凸点的形成原理示意图。

2.3 印刷凸点工艺

焊膏印刷凸点是一种广泛应用的凸点形成方法。印刷凸点是采用模板直接将焊膏印在要形成凸点的焊盘上，然后经过回流而形成凸点。目前印刷凸点间距可达到 250mm 的细间距。图 4 示意地表示了焊膏印刷凸点的工艺步骤。可按照不同的使用要求，选用不同的凸点材料，如 95Pb/5Sn、90Pb/10Sn、63Pb/37Sn 以及无铅焊料等成分。在晶圆的 Al 焊区上形成 UBM 后，就可在其上印刷焊膏然后回流。

2.4 化学镀凸点

化学镀凸点是一种利用强还原剂在化学镀液中将需要镀的金属离子还原成该金属原子沉积在镀层表面形成凸点的方法。化学镀除可利用光刻胶做掩模在硅圆片上化学镀凸点外，还可以直接在已经切割好的芯片上进行化学镀凸点，适合于小批量制作凸点，工艺灵活方便，而且凸点布局、凸点尺寸以及间距大小不受限制。一般是在化学镀 UBM 的基础上，直接进行化学镀 Ni/Au 凸点或 Au 凸点。

2.5 激光植球技术

激光植球是通过一个送料器将焊球源源不断地送入植球头的喷嘴处，用光导纤维将 Nd：YAG 激光束引入喷嘴，在惰性气体保护下将处于嘴口处的焊球快速加热到熔点以上，使熔化的焊球与晶片或者基板的焊盘等焊合，形成所要求的凸点或焊球。

如图 5(a)(b)所示，整个植球头非常精密、小巧，如同一个喷墨打印机的打印头，可以通过程序实现对特定阵列图形排列的凸点或焊球。图 5(c)显示的是采用激光植球技术在硅晶片的镀镍层(UBM)上形成的两个共晶焊球凸点的 SEM 照片。

激光植球的质量与精度高于电沉积植球方法，在小批量情况下适用性强，成本低廉，封装效率高，对器件的损伤小。设备占地面积小，使用方便，灵活，工艺控制简单，自动化程度高。

2.6 凸点转移

将凸点用前述的方法在一个中间载体上形成相应的凸点阵列，然后将其转送到倒装芯片上去的一种植球技 术。载体一般是与焊料不润湿的材料，如硅片、热阻玻璃片等。在中间载体上形成凸点的方法很多，常用蒸镀 焊料凸点和印刷焊料凸点的方法。采用蒸镀法或印刷方法在载体上预制凸点，之后再辅以凸点转移工艺，则整个凸点制备工艺的灵活性将大大提高。对于印刷凸点，首先加工一块具有一系列不同开口直径的通用印刷模板，这样仅使用一块模板就可以在载体上制出各种不同直径的备用凸点阵列。然后将预制凸点转移至涂有助焊剂的芯片焊盘上，经回流后凸点与焊盘焊合，且与载体分离。

可以在载体表面先沉积大约 100nm 厚度的金薄层，以增加焊料与载体的附着力，防止焊料凸点从载体上分离，同时还可增加分离焊料熔化前的润湿时间，使得它有足够的时间来润湿 UBM。

图 6 示意给出了蒸镀方法的批量化凸点转移工艺流程。

以上介绍了各种常用的凸点形成的工艺方法。表 1 对这些工艺方法的特点及使用范围等进行综合比较。

3 铜柱凸点

为了避免桥接现象的发生，实现更高 I/O 密度，IBM 公司于 21 世纪初首次提出了铜柱凸点，申请了铜柱凸点结构的相关专利。铜柱凸点的结构如图 7 所示，用铜柱取代了焊料凸点中的大部分焊料，其顶部镀有少量焊料。在焊料互连过程中，铜柱凸点能够保持一定的高度，既可以防止焊料的桥接现象发生，又可以掌控堆叠层芯片的间距高度，可实现 15-80μm 节距的铜凸点焊料互连。

铜柱凸点的高径比不再受到阵列间距的限制，在相同的凸点间距下，可以提供更大的支撑高度，大大改善了底部填充胶（underfill）的流动性。

由于丝网制作工艺精度的限制，当模版开孔尺寸缩小至 50μm 时，印刷将会变得异常困难，因而丝网印刷并不适用于铜柱凸点的制备。相比而言，借助光刻掩膜技术的电镀法则具有更高的制备精度，可实现凸点在晶圆上的直接制备，适合铜柱凸点的制备。图 8 所示，即为一种高共面性铜柱凸点阵列电镀方法流程图。

另外，为了减缓焊料与铜之间的界面金属间化合物（Intermetallic Compounds，IMCs）的生成速率，可在铜柱顶部和焊层之间额外电镀一层 Ni 作为阻挡层。

根据铜柱凸点的节距不同，铜柱凸点的键合方法可以分为回流焊和热压键合（Thermal Compress Bonding， TCB）两种方式。对于节距在 50-80μm 的铜柱凸点，可采用回流焊方式完成凸点键合。当铜柱凸点尺寸进一步减小时，凸点中有限的焊料体积将导致自对准效应被大幅度削弱，同时较长的回流时间可能使焊料全部转化为IMCs，对凸点可靠性形成巨大威胁。

采用热压键合的方式，如图 9 所示，通过 Bond Head 和 Bond Stage 的结构完成待键合芯片之间的高精度对准，并可在键合过程中施加一定的压力以辅助键合。加之大幅缩短的键合时间，使得热压键合在高精度键合领域表现更为出色。

4 铜-铜凸点键合

当凸点尺寸进一步缩小至数微米时，在凸点制备和键合过程中，铜柱凸点内仅存的焊料极有可能被全部消耗完毕，形成全 IMCs 凸点，为可靠性埋下了巨大的隐患。因此，业界相应提出了铜-铜凸点键合结构的解决方案，以实现更高的互连密度。该方法首先通过光刻电镀的方式在晶圆上完成铜凸点的直接制备，而后在超真空环境中，采用热压键合的方式完成铜-铜凸点键合。在键合过程中，键合压力的施加使铜凸点发生塑性变形，界面两侧的原子相互接触，随着键合时间的延长，界面原子逐渐完成跨界面扩散，界面处晶格重组的发生 使键合界面合二为一，最终实现键合互连，形成如 10 所示的凸点结构。该互连结构中没有金属间化合物的形成，并具有更为优异的散热性能、导电性能以及抗电迁移性能。

但是铜-铜凸点键合作为一种固相键合技术，需要提供较高的温度（350- 400°C）、较大的压力以及较长的扩散时间，才能保证凸点的可靠互连。另外，铜凸点表面平整性和表面氧化问题也制约着铜-铜凸点键合的实际应用。为了解决上述问题，研究人员提出了表面活化键合技术（surface activated bonding）和纳米金属键合技术（nano-metal bonding）等解决方案，极具启发性，但是距离实现工业化应用还具有一定的距离。

5 结语

凸点作为 BGA 封装、倒装封装和先进封装的最重要技术，不仅提供了高密度平面阵列互连，同时还提供了堆叠芯片及器件封装所需的机械支撑与电气互连。在 3D 电子封装结构中为了完成芯片、转接板和基板之间的垂直互连，用到了三种不同尺寸的凸点：最大尺寸的球栅阵列焊球，其直径范围通常在 0.25-0.76 mm；中等尺寸的倒装凸点，其直径范围通常在 100-150μm；而最小尺寸的微凸点（micro bump），其直径可小至 2μm。

微凸点可以通过光刻电镀的方法在整片晶圆上进行大规模制备，极大地提高了生产效率，从而实现批量封装成本的下降。

铜柱凸点巧妙地结合了铜柱和焊料二者在封装工艺方面的优势，在现有封装技术的水平下，解决了封装时液态焊料桥接的问题，并大幅改善了键合凸点的散热性能和抗电迁移性能，从而实现更小的凸点节距和更高的互连密度。铜柱凸点在 3D 封装技术中具有巨大的研究价值和应用潜力，是业界的研究焦点。

微凸点在键合及服役过程中涉及到各种复杂的物理、冶金和化学过程，对微凸点的可靠性提出了巨大的挑战，主要包括化学反应、金属溶解、化学势梯度驱动的扩散、电迁移、焦耳热、热迁移和应力迁移。因此，在先进电子封装技术飞速发展的今天，开展高密度键合微凸点界面反应行为的基础研究，对改善 3D 电子封装结构的可靠性具有重大意义。

（参考文献略）

关键词：先艺电子、XianYi、先艺、金锡焊片、Au80Sn20焊片、低温共晶焊料、Solder Preform、芯片封装焊片供应商、芯片封装焊片生产厂家、低温钎焊片、太阳能电池片封装焊片、金锡合金焊片选型指南、预成形焊片尺寸选择、银基焊料、光伏焊带、金属外壳气密封装、共晶烧结、金锡烧结、金锡共晶烧结、共晶键合、合金焊料、预成形锡片、锡带、SMT锡片、低温锡带、激光巴条焊接、激光巴条封装、载带式预成形焊片、覆膜预成形焊片、热沉、heat sink、光电子封装、MEMS封装、IGBT焊料片、锡片、中高温焊片、IGBT焊料片、锡片、纳米焊膏、纳米银膏、微组装、微纳连接、金锡bump、激光巴条共晶、Gold Tin Alloy、Gold Tin Solder、晶振封盖、电镀金锡、锡箔、锡环、锡框、flux coating、TO-CAN共晶、共晶贴片、低温锡膏、锡膏喷印、锡铋合金、纳米银焊膏、纳米银胶、纳米银浆、烧结银浆、烧结银膏、烧结银胶、导热银膏、导热银胶、导热银浆、银烧结膏、银纳米膏、Ag sinter paste、submount、薄膜电路、、低温合金预成形焊片、Eutectic Solder、金锡Au80Sn20焊料片、铟In合金焊料片、In97Ag3焊片、锡银铜SAC焊料片、锡锑Sn90Sb10焊料片、锡铅Sn63Pb37焊料片、金锡Au80Sn20预成形焊片、Au80Sn20 Solder Preform、大功率LED芯片封装焊片生产厂家、TO封帽封装焊片、In52Sn48、铟银合金焊片、纯铟焊片供应商、铟In合金预成形焊片、锡银铜SAC305（Sn96.5Ag3.0Cu0.5）焊片、锡银铜预成形焊片焊箔供应商、锡锑焊片、Sn90Sb10 Solder Preforms、锡铅焊片、锡铅Sn63Pb37焊片供应商、锡铅Sn63Pb37焊片生产厂家、锡铅预成形焊片、金锡合金焊片选型指南、低温合金焊片应用、低温合金焊片如何选择、半导体芯片封装焊片、光电成像器件的盖板密封焊接

先艺电子、xianyi、www.xianyichina.com

广州先艺电子科技有限公司是先进半导体封装连接材料制造商，我们可根据客户的要求定制专业配比的金、银、铜、锡、铟等焊料合金，加工成预成型焊片，更多资讯请看www.xianyichina.com，或关注微信公众号“先艺电子”。