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制作晶圆凸起的先进封装方法

    作者：宏拓新软件
    发布日期：2008-10-20         
阅读：47     
 
 
   倒装芯片、CSP及其它先进封装形式高密度IC的封装，都要求有精密的晶圆凸起。类似于喷墨打印机原理，金属喷射技术能以一定的速度在基板上放置焊球，在球间距要求严格的场合下，其精度与模板印刷相同甚至更高。

Rick Godin

金属喷射技术市场部经理

Speedline Technologies

    要使用倒装芯片、生产厂家就需要将其开发和制造电子商品的工艺进行改造，从元器件直到PCB，这样就限制了它在许多工厂的普及，虽然这种技术已出现30多年了。近年来，材料和工艺的革新使得倒装芯片更易于采用，并且它在尺寸、性能和成本方面的优势更显得突出。对倒装芯片器件的初步估计和需求分布图（表1）表明，这种技术在不久的将来就会有较大的增长。
倒装芯片器件市场由三个主要因素带动：尺寸、速度和成本，这种技术可以提供便携式装置中的小外形高密度封装器件，同时避免了封装裸片的费用。它可在极具经济效益的面积内做出高I/O数的硅片（如在处理器和ASIC中），并且对RF器件具有较低的自感系数。

    速度、性能和微型化推动着IC、封装和基材等走向更高的电路密度、更多的I/O数、更密的间距而且尺寸还要缩小。这种趋势导致新封装类型的出现，并增加了对芯片尺寸封装（CSP）、倒装芯片和其他先进技术的关注。器件的尺寸要小，同时还要求具有更加可靠的制造工艺、更大的产量和更高的成品率，这就要求有先进的内部互连技术，包括焊料的印刷或喷射技术，为BGA、CSP及晶圆/裸片凸起的制作形成良好的球形焊球。

    生产厂商正在评估新方法，将焊料及其他材料放到PCB、封装和晶圆上。对于业界正在寻求新方法将焊料放到较小的焊盘上而言，外形较小的高密度IC器件和封装将会是一个极大挑战。
伴随性能要求的增加，IC密度越来越大，这就意味着电路和内部连接通路更短。采用焊球连接可为芯片或封装与基板的连接提供一种合乎经济效益并且性能可靠的接口。

金属喷射技术

    这种技术可以分别将焊料、合金及其他低熔点金属快速准确地涂敷在晶圆、陶瓷、PCB 以及其它可以焊接的基板上（见图1）。从操作原理来看，它同喷墨打印机有些类似，当液滴到达目标后，它就会固化（实际上是凝固）为可以很好控制的球形焊料附着物。多个小液滴可以准确地重合在一起形成一个大的球，或者几个小液滴可以排成一列，然后这些焊料在回焊时扩散开来，覆盖整个可焊表面。由于熔化的材料直接涂在基板上，就不需要再有中间层物质，比如模板或丝网。在某些场合下，金属喷射技术比常规方法表现得要好，常规方法在作间距小于0.152mm的涂敷时会受到限制。

    金属喷射用于许多现有的和将来的亚0.25μm半导体器件等要求比较严的生产中，可以提供较高的密度，更小的特征尺寸、更好的制造成本控制，通过CAD文件数据还能快速容易地作产品转换。芯片制造商可放心地继续缩小芯片的尺寸，因为他们知道这些芯片可用焊料凸起进行可靠的连接。

    通过取消工序，“需求喷射”（drop-on-demand jetting）成为微电子产品封装中具有经济效益的一种方法。

Drop-On-Demand金属喷射

    Drop-On-Demand金属喷射技术可以精确置放熔化的焊料液滴，速度从一次一滴到每秒几百滴。在Drop-On-Demand金属喷射系统中，将一个低频高能脉冲，施加到一个环形压电换能器（PZT）上，该换能器包在一个喷嘴上面的毛细管上，可以吸取焊液，释放后形成在重力下加速的液滴（图2）。由于喷嘴距基板表面只有1mm，因此行程时间很短暂，其通路不会受到外力的影响。一束小于5SCFH的高纯度氮气流可在喷嘴周围维持很低的氧气含量，帮助焊料液滴成型并减少液滴在运动过程中的氧化。

    为了将焊料液滴放在指定的位置，有一个x-y工作台可使基板在喷嘴下面移动，液滴释放的速度与固定的基板运动速度一致，这种技术称为“现场式印刷”（Print-on-the-fly），以固定的速度传送小而精确的焊液。其生产结构平台的精度小于±0.01mm，在许多先进微电子应用的容许误差范围之内。

    最近在Drop-On-Demand喷射技术方面的研究包括以125滴/秒的速度，在硅片晶圆上置放0.060mm、0.075mm和0.100mm液滴。在这个速度下，一个有312个裸片、每个裸片有68个I/O的150mm晶圆，喷射时间不超过5分钟。

    焊料与焊盘之间的粘度值都在可接受的范围内，但这只有当焊料附着在可焊的区域上并完成焊接以后才可以。虽然有很多种凸起下部的喷镀金属（UBM），但最好的表面涂层是无电解Ni/Au或Cu或Pd。

    这种技术首先用于板上倒装芯片、封装型倒装芯片及其他类似场合中硅片晶圆的凸起制作。

无需工具的方法

    作为一种CAD数据驱动系统意味着不需要再用中间工具，比如掩膜或模板，因为这些都会导致出现采购及存储成本，并且取回和更换还要花费时间。而CAD数据驱动金属喷射技术根据晶圆、基板的不同，可以使基板样式和设计的更换在瞬间完成，所有控制参数包含在一个带有视觉功能的在线软件系统中。这样由于只有一个控制软件的数据文件需要修改，使得金属喷射能够非常有效地用在小批次生产和大批量生产中。

    对于往电子基板涂敷焊料或其他材料来讲，这种无需工具的方法增加了工艺的灵活性和速度，它可以促使新封装设计的开发，并且可用于多种应用中，包括直接芯片粘接点的准备，晶圆凸起制作、3-D基板、细线内部互连、基板过孔填充以及光电子领域。

用模板印刷晶圆

    用模板印刷技术在晶圆上作焊接凸起要用到传统的丝网印刷技术，需要有膏状焊料、针对特定印刷样式的专门模板、刮刀以及模板印刷机。用丝网印刷技术作晶圆凸起的不同之处在于，希望印刷出比以前更细的间距。

    大多数SMT PCB组装工艺需要作0.4mm细间距印刷，在有些场合元件引脚距离低至0.3mm，但这些都很少，而且通常会导致缺陷和成品率方面的问题。

    在硅片裸片上要求的距离或间距通常都在0.3mm及以下，这对于丝网印刷工艺来讲是一个非常严重但也并不是无法克服的难题，需要有一种在0.3mm到0.15mm之间都可用的工艺，所需模板厚度仅0.05mm，而且这些模板的厚度必须均匀并且开口形状都应一致。

采用模板印刷方法会引起下面几个问题：
·该工艺能否在间距低至0.15mm的裸片做出均匀一致的凸起？
·现有的模板制造技术能否做出符合这种超细间距印刷要求的模板？
·为了优化这种工艺，应考虑哪些工艺因素及操作参数？
·模板与晶圆表面接触是否会有什么影响？如果有，有多大？
·用于晶圆印刷的模板应遵守哪些设计原则（厚度、开口尺寸及材料）？

    通过很多试验已经确定出用于倒装芯片凸起的模板印刷限制条件，可以提供出数据确定最佳操作参数和模块设计要求。试验中用到的变量包括不同的刮刀压力、焊膏类型、印刷类型、室温、刮刀材料以及模板厚度。

    初步的数据表明，用丝网印刷工艺印刷0.254mm到0.304mm间距的凸起是可行的，但并不妨碍用模板印刷工艺作间距低于0.254mm的印刷。

    然而，Drop-On-Demand金属喷射技术也正争取在微电子领域中占一席之地，虽然还只是用于PCB一级的装配，但却逐渐在使线路板制造和芯片组装的界限越来越模糊。
 

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