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制作晶圓凸起的先進(jìn)封裝方法

    作者：宏拓新軟件
    發(fā)布日期：2008-10-20         
閱讀：49     
 
 
   倒裝芯片、CSP及其它先進(jìn)封裝形式高密度IC的封裝，都要求有精密的晶圓凸起。類似于噴墨打印機(jī)原理，金屬噴射技術(shù)能以一定的速度在基板上放置焊球，在球間距要求嚴(yán)格的場(chǎng)合下，其精度與模板印刷相同甚至更高。

Rick Godin

金屬噴射技術(shù)市場(chǎng)部經(jīng)理

Speedline Technologies

    要使用倒裝芯片、生產(chǎn)廠家就需要將其開發(fā)和制造電子商品的工藝進(jìn)行改造，從元器件直到PCB，這樣就限制了它在許多工廠的普及，雖然這種技術(shù)已出現(xiàn)30多年了。近年來(lái)，材料和工藝的革新使得倒裝芯片更易于采用，并且它在尺寸、性能和成本方面的優(yōu)勢(shì)更顯得突出。對(duì)倒裝芯片器件的初步估計(jì)和需求分布圖（表1）表明，這種技術(shù)在不久的將來(lái)就會(huì)有較大的增長(zhǎng)。
倒裝芯片器件市場(chǎng)由三個(gè)主要因素帶動(dòng)：尺寸、速度和成本，這種技術(shù)可以提供便攜式裝置中的小外形高密度封裝器件，同時(shí)避免了封裝裸片的費(fèi)用。它可在極具經(jīng)濟(jì)效益的面積內(nèi)做出高I/O數(shù)的硅片（如在處理器和ASIC中），并且對(duì)RF器件具有較低的自感系數(shù)。

    速度、性能和微型化推動(dòng)著IC、封裝和基材等走向更高的電路密度、更多的I/O數(shù)、更密的間距而且尺寸還要縮小。這種趨勢(shì)導(dǎo)致新封裝類型的出現(xiàn)，并增加了對(duì)芯片尺寸封裝（CSP）、倒裝芯片和其他先進(jìn)技術(shù)的關(guān)注。器件的尺寸要小，同時(shí)還要求具有更加可靠的制造工藝、更大的產(chǎn)量和更高的成品率，這就要求有先進(jìn)的內(nèi)部互連技術(shù)，包括焊料的印刷或噴射技術(shù)，為BGA、CSP及晶圓/裸片凸起的制作形成良好的球形焊球。

    生產(chǎn)廠商正在評(píng)估新方法，將焊料及其他材料放到PCB、封裝和晶圓上。對(duì)于業(yè)界正在尋求新方法將焊料放到較小的焊盤上而言，外形較小的高密度IC器件和封裝將會(huì)是一個(gè)極大挑戰(zhàn)。
伴隨性能要求的增加，IC密度越來(lái)越大，這就意味著電路和內(nèi)部連接通路更短。采用焊球連接可為芯片或封裝與基板的連接提供一種合乎經(jīng)濟(jì)效益并且性能可靠的接口。

金屬噴射技術(shù)

    這種技術(shù)可以分別將焊料、合金及其他低熔點(diǎn)金屬快速準(zhǔn)確地涂敷在晶圓、陶瓷、PCB 以及其它可以焊接的基板上（見圖1）。從操作原理來(lái)看，它同噴墨打印機(jī)有些類似，當(dāng)液滴到達(dá)目標(biāo)后，它就會(huì)固化（實(shí)際上是凝固）為可以很好控制的球形焊料附著物。多個(gè)小液滴可以準(zhǔn)確地重合在一起形成一個(gè)大的球，或者幾個(gè)小液滴可以排成一列，然后這些焊料在回焊時(shí)擴(kuò)散開來(lái)，覆蓋整個(gè)可焊表面。由于熔化的材料直接涂在基板上，就不需要再有中間層物質(zhì)，比如模板或絲網(wǎng)。在某些場(chǎng)合下，金屬噴射技術(shù)比常規(guī)方法表現(xiàn)得要好，常規(guī)方法在作間距小于0.152mm的涂敷時(shí)會(huì)受到限制。

    金屬噴射用于許多現(xiàn)有的和將來(lái)的亞0.25μm半導(dǎo)體器件等要求比較嚴(yán)的生產(chǎn)中，可以提供較高的密度，更小的特征尺寸、更好的制造成本控制，通過(guò)CAD文件數(shù)據(jù)還能快速容易地作產(chǎn)品轉(zhuǎn)換。芯片制造商可放心地繼續(xù)縮小芯片的尺寸，因?yàn)樗麄冎肋@些芯片可用焊料凸起進(jìn)行可靠的連接。

    通過(guò)取消工序，“需求噴射”（drop-on-demand jetting）成為微電子產(chǎn)品封裝中具有經(jīng)濟(jì)效益的一種方法。

Drop-On-Demand金屬噴射

    Drop-On-Demand金屬噴射技術(shù)可以精確置放熔化的焊料液滴，速度從一次一滴到每秒幾百滴。在Drop-On-Demand金屬噴射系統(tǒng)中，將一個(gè)低頻高能脈沖，施加到一個(gè)環(huán)形壓電換能器（PZT）上，該換能器包在一個(gè)噴嘴上面的毛細(xì)管上，可以吸取焊液，釋放后形成在重力下加速的液滴（圖2）。由于噴嘴距基板表面只有1mm，因此行程時(shí)間很短暫，其通路不會(huì)受到外力的影響。一束小于5SCFH的高純度氮?dú)饬骺稍趪娮熘車S持很低的氧氣含量，幫助焊料液滴成型并減少液滴在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的氧化。

    為了將焊料液滴放在指定的位置，有一個(gè)x-y工作臺(tái)可使基板在噴嘴下面移動(dòng)，液滴釋放的速度與固定的基板運(yùn)動(dòng)速度一致，這種技術(shù)稱為“現(xiàn)場(chǎng)式印刷”（Print-on-the-fly），以固定的速度傳送小而精確的焊液。其生產(chǎn)結(jié)構(gòu)平臺(tái)的精度小于±0.01mm，在許多先進(jìn)微電子應(yīng)用的容許誤差范圍之內(nèi)。

    最近在Drop-On-Demand噴射技術(shù)方面的研究包括以125滴/秒的速度，在硅片晶圓上置放0.060mm、0.075mm和0.100mm液滴。在這個(gè)速度下，一個(gè)有312個(gè)裸片、每個(gè)裸片有68個(gè)I/O的150mm晶圓，噴射時(shí)間不超過(guò)5分鐘。

    焊料與焊盤之間的粘度值都在可接受的范圍內(nèi)，但這只有當(dāng)焊料附著在可焊的區(qū)域上并完成焊接以后才可以。雖然有很多種凸起下部的噴鍍金屬（UBM），但最好的表面涂層是無(wú)電解Ni/Au或Cu或Pd。

    這種技術(shù)首先用于板上倒裝芯片、封裝型倒裝芯片及其他類似場(chǎng)合中硅片晶圓的凸起制作。

無(wú)需工具的方法

    作為一種CAD數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)意味著不需要再用中間工具，比如掩膜或模板，因?yàn)檫@些都會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)采購(gòu)及存儲(chǔ)成本，并且取回和更換還要花費(fèi)時(shí)間。而CAD數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)金屬噴射技術(shù)根據(jù)晶圓、基板的不同，可以使基板樣式和設(shè)計(jì)的更換在瞬間完成，所有控制參數(shù)包含在一個(gè)帶有視覺功能的在線軟件系統(tǒng)中。這樣由于只有一個(gè)控制軟件的數(shù)據(jù)文件需要修改，使得金屬噴射能夠非常有效地用在小批次生產(chǎn)和大批量生產(chǎn)中。

    對(duì)于往電子基板涂敷焊料或其他材料來(lái)講，這種無(wú)需工具的方法增加了工藝的靈活性和速度，它可以促使新封裝設(shè)計(jì)的開發(fā)，并且可用于多種應(yīng)用中，包括直接芯片粘接點(diǎn)的準(zhǔn)備，晶圓凸起制作、3-D基板、細(xì)線內(nèi)部互連、基板過(guò)孔填充以及光電子領(lǐng)域。

用模板印刷晶圓

    用模板印刷技術(shù)在晶圓上作焊接凸起要用到傳統(tǒng)的絲網(wǎng)印刷技術(shù)，需要有膏狀焊料、針對(duì)特定印刷樣式的專門模板、刮刀以及模板印刷機(jī)。用絲網(wǎng)印刷技術(shù)作晶圓凸起的不同之處在于，希望印刷出比以前更細(xì)的間距。

    大多數(shù)SMT PCB組裝工藝需要作0.4mm細(xì)間距印刷，在有些場(chǎng)合元件引腳距離低至0.3mm，但這些都很少，而且通常會(huì)導(dǎo)致缺陷和成品率方面的問(wèn)題。

    在硅片裸片上要求的距離或間距通常都在0.3mm及以下，這對(duì)于絲網(wǎng)印刷工藝來(lái)講是一個(gè)非常嚴(yán)重但也并不是無(wú)法克服的難題，需要有一種在0.3mm到0.15mm之間都可用的工藝，所需模板厚度僅0.05mm，而且這些模板的厚度必須均勻并且開口形狀都應(yīng)一致。

采用模板印刷方法會(huì)引起下面幾個(gè)問(wèn)題：
·該工藝能否在間距低至0.15mm的裸片做出均勻一致的凸起？
·現(xiàn)有的模板制造技術(shù)能否做出符合這種超細(xì)間距印刷要求的模板？
·為了優(yōu)化這種工藝，應(yīng)考慮哪些工藝因素及操作參數(shù)？
·模板與晶圓表面接觸是否會(huì)有什么影響？如果有，有多大？
·用于晶圓印刷的模板應(yīng)遵守哪些設(shè)計(jì)原則（厚度、開口尺寸及材料）？

    通過(guò)很多試驗(yàn)已經(jīng)確定出用于倒裝芯片凸起的模板印刷限制條件，可以提供出數(shù)據(jù)確定最佳操作參數(shù)和模塊設(shè)計(jì)要求。試驗(yàn)中用到的變量包括不同的刮刀壓力、焊膏類型、印刷類型、室溫、刮刀材料以及模板厚度。

    初步的數(shù)據(jù)表明，用絲網(wǎng)印刷工藝印刷0.254mm到0.304mm間距的凸起是可行的，但并不妨礙用模板印刷工藝作間距低于0.254mm的印刷。

    然而，Drop-On-Demand金屬噴射技術(shù)也正爭(zhēng)取在微電子領(lǐng)域中占一席之地，雖然還只是用于PCB一級(jí)的裝配，但卻逐漸在使線路板制造和芯片組裝的界限越來(lái)越模糊。
 

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