晶圆级封装的凸点印刷。
朱桂兵。摘要。
介绍了倒装芯片技术和晶圆级封装制作工艺流程，叙述了凸点形成技术的两个常用技术 — 金属电镀技术和模板印刷技术，以及化学镀这种最常用的金属电镀技术，对更符合现代倒装芯片封装的凸点印刷工艺在理论和实践上作了**。
倒装芯片封装技术（flip chip，fc）形成于20世纪60年代，同时也是最早的球栅阵列封装技术（bga）和最早的芯片尺寸封装技术(csp)。随着现代科技的快速发展，倒装芯片封装技术已成为缩小芯片封装尺寸、降低成本、提高速度、提高组件可靠性的关键技术，也是元器件晶圆级封装的主要技术。
倒装芯片技术是一种把芯片电极与载板连接起来的工艺方法，把芯片的有源电极做成凸点模式，将芯片正面朝下，将这些凸点和载板的电极直接连接起来，无需引线键合，形成最短的电路，降低电阻，采用金属球连接，缩小了封装尺寸，改善电性能，解决了bga、csp 为增加引脚数而需扩大体积的困扰。与传统速度较慢的引线键合技术相比，fc 更适合应用在高脚数、小型化、多功能、高速度ic的产品中。通常利用网版印刷等工艺制作凸点，这种凸点倒装芯片被称为c4(controlled collapse chip connection，可控塌陷芯片连接)技术，一直在ibm公司和别的生产厂家使用了几十年，并保持着高的可靠性记录。
一、晶圆级封装工艺。
f c 基本上可分为焊料凸点fc和非焊料凸点fc两大类。尽管如此，其基本结构是一样的，即每一个 f c 都是由集成电路晶圆（ic）、凸点下的金属化层（ubm）和凸点（bump）组成，如图1所示。
倒装芯片技术主要由凸点制作、倒装焊接以及底部填充三个主要技术组成。每一个技术具有一定的独立性，可以灵活运用在不同的具体应用环境下，作用与效果不同，其中有四种经过简化的倒装芯片工艺，把焊料凸点工艺结合进去。
1.倒装芯片封装(fcp)。把裸芯片安装在bga 等封装之内的工艺。
2.板上倒装芯片(fcob)。把裸芯片直接安装在电路板上的工艺。
3 ．晶圆级芯片尺寸封装(wl-csp，wlp)。这个工艺需要在晶圆上增加一个走线层，并且把焊锡凸点直接放在有走线层的晶圆上。
4．芯片尺寸封装(csp)。把裸芯片安装到接入层上的工艺，然后再把这个接入层连接到下一层基片上，csp 封装尺寸不会超过芯片尺寸的1.2倍。
晶圆级芯片封装工艺流程如下：已钝化晶圆→涂覆 bcb(或pi)→光刻新、老焊区→溅射ubm→光刻 ubm、使新老焊区布线相连→二次涂覆 bcb（或pi）→光刻新焊区窗口→印刷（或电镀）焊料膏→再流、形成焊料球→晶圆级封装形成→ wlp 测试、贴装。
二、凸点形成技术。
凸点形成技术分为几个简单的类型，即淀积金属、机械焊接、基于聚合物的胶黏剂以及别的组合物。铅锡凸点技术发展的关键技术推动力来自于持续的器件尺寸紧缩。在130 nm 技术标准下，约有30%的逻辑芯片需要凸点技术，但是在90 nm技术标准下，这一数据跃升到60%，当发展到了65 nm器件量产制造时，金凸点技术的需求则攀升至 80% 以上。wlp 以bga技术为基础，是一种经过改进和提高的 c s p ，它不仅充分体现了bga、csp 的技术优势，而且是封装技术取得革命性突破的标志。
1．凸点下金属化层(ubm)
在所有的凸点中，在进行焊点连接之前，在元件上镀上一层金属化层，它在凸点的下面，称作凸点下的金属化层（ubm），ubm是连接到集成电路上的铝焊盘的金属层，在再流焊过程中，焊料经过湿润连接到焊盘上。凸点和i ／ o 焊盘之间的 ubm 层需要与金属焊盘和晶圆钝化层具有足够好的黏结性；在后续工艺步骤中保护金属焊盘；在金属焊盘和凸点之间保持低接触电阻；可以作为金属焊盘和凸点之间有效的扩散阻挡层；并且可以作为焊料凸点或者金凸点沉积的种子层。
能用来制作 u b m 的材料是很多的，主要有cr、ni、ti/w、cu 和au 等。同样，制作ubm 的方法也不少，最常用的有蒸发、溅射、电镀、化学镀、机械打球、移置等多种方法。采用溅射、蒸发、电镀工艺制作 u b m 需要较大的设备投入，成本高，同时其生产效率也相当高。而采用化学镀方法，成本则低得多，据**将成为今后的发展方向。目前使用较广泛的 ni/au ubm 就是采用的化学镀方法。
在高级封装中，无论从成本还是技术角度考虑，晶圆凸点制作都非常关键。在晶圆凸点制作中，金属沉积占到全部成本的50%以上。晶圆凸点制作中最为常见的金属沉积步骤是凸点下金属化层(ubm)的沉积和凸点本身的沉积，一般通过电镀工艺实现。
由于制作方法的不同，凸点大致可分为焊料凸点、金凸点及聚合物凸点三大类。焊料凸点材料为含s n 焊料，过去一般选用共晶（37pb/63sn）焊料，现在一般选用sac 焊料。金凸点材料可以是au和cu，通常是采用电镀方法形成厚度为20 µ m 左右的au 或cu ，au 还可以采用金丝球焊的方法形成。聚合物凸点采用导电聚合物制作凸点，设备和工艺相对简单，是一种高效、低成本的fc。由于组装工艺简单，焊料凸点技术应用最为广泛；金凸点虽然制作工艺较焊料凸点简单，但组装中需要专门的定位设备和专用黏结材料，如acf(各向异性导电薄膜)，因此多用于产品开发阶段，不过现在伴随着电子产品微型化发展，金凸点技术使用越来越多。
2．金属电镀技术。
一般是在电镀槽里，把基片当作阴极，利用静态电流或者脉冲电流来完成焊料的电镀。在镀上所需厚度的焊料后，就可以把光致抗蚀剂清除掉，这时焊料凸点制作完成。电镀的优势是可以在非常小的间距内印刷，而且可以保证足够的焊料以得到更高的高度。电镀的不足之处在于它的启动成本较高，生产设备的占用面积较大，电解液会造成更多的浪费，选择合金的灵活性少。
化学镀是最常用的金属电镀技术，已广泛地应用于印刷电路行业，尤其是化学形成凸点的技术现在主要用于倒装芯片，比如化学镀镍。化学镀镍凸点技术工艺简单，成本低，是主要的倒装芯片凸点工艺。可利用很多方法，包括把焊料应用于凸点及液体喷注。对倒装片而言，开发化学焊料电镀技术是可行的。
电镀制作微凸点工艺过程如下：
圆片蒸发→涂覆光刻胶→光刻电极图形→电镀金属嵌入体→去除光刻胶→刻蚀已暴露的导电层→涂覆厚层光刻胶→套刻au凸点→蚀掉部分厚胶→电镀au凸点→淀积 au 或 cu 层。
3.蒸发技术。
这是形成凸点的成熟方法，用于把半导体芯片与陶瓷基片连接起来。蒸发工艺需要两个掩模，第一个掩模的开口较小，适合u b m ，而第二个掩模的开口较大，适合焊料印刷。这个工艺的不足之处是它要使用两个掩模，又需要蒸发工艺，这会增加成本。
4．模板印刷技术。
模板的作用是把焊料、导电胶或者其他类似的材料通过孔转移到基片上。模板印刷是成本最低的工艺，适合倒装芯片封装连接点的印刷；多年来它广泛用于smt 行业的电路板组装。模板的制作主要有三个方法：化学蚀刻、激光切割和电铸成型，常用后两种方法。
三、晶圆级封装的凸点印刷。
1．模板选择。
倒装芯片封装常用电铸成型模板，但是传统模板制作工艺主要用于电子产品二级封装，对于一级封装，尤其是间距小于150 µ m 的金属箔片进行印刷时并不适合，这就需要用到微细制造工程技术生产更理想的电铸模板。为了能够在微间距下印刷，这项技术必须与最新含有微粒粉末的焊膏材料（符合ipc 标准的6-8 型焊膏）结合起来，同样必须符合五球定律，即焊膏的颗粒尺寸应是能让至少五颗最大的焊粉直径符合网版上最小开孔的宽度，至少有五颗最大直径的焊球能垂直地排在印刷模板的厚度方向上。这些模板上孔的公差达到微米数量级，孔壁平滑，适合焊膏释放，而且箔片的厚度均匀，改进了孔的质量。在进行微间距印刷时，需要使用误差只有微米数量级的孔来保证焊膏印刷量一致。随着孔的直径越来越小，必须减小模板的厚度，这有利于焊膏的转移。根据焊膏印刷规律，模板的厚度应为最小的孔径的三分之二，对微间距印刷来说，模板厚度不能超过75 µ m，75 µ m 厚的模板要用框架来拉平。因此，必须使用校正过的参数来生产电铸模板，保证在印刷过程中基片与模板之间准确地重合。
2．焊膏选择。
在进行微间距印刷时，需要把焊料合金微粒尺寸分布（psd）从（20～45） µm（三类psd）降低到15 µ m（六类和七类 psd）。为了达到这个要求，psd 的变化必定会影响焊膏的特性。随着焊料合金微粒尺寸的大幅减小，焊膏的流变性将发生改变，从而影响焊膏剪切力、张力和速度，最终影响焊膏的滚动和孔的填充与释放，因此适当的流变性是决定印刷工艺的关键。助焊剂的成分和合金量决定了焊膏的流变性。当然，伴随着民众对环保要求的增加，还必须遵守weee 和rohs 法例，停止使用铅。因此，要用无铅合金取代锡铅焊料。就模板印刷而言，首选的无铅合金为锡银铜（sac）合金，它的熔点较高，这就需要改用新的助焊剂，以适应更高的再流温度和更小微粒尺寸的要求，如果不能选用高温，则可以使用锡铋、锡铟合金，它们的熔点较低。
3．焊膏印刷。
从焊膏脱模的角度分析，圆形窗口比方形窗口脱模能力强，因此微间距模板设计时往往选择圆形开口，即便是选择方形开口，弯角也要做成圆形，不能做成直角。此外，为了满足微间距印刷的要求，还需要优化与控制印刷压力、印刷和脱网速度等参数。当然还有其他参数，例如适合晶圆级凸点印刷的基片固定、刮刀、环境控制、焊膏使用寿命和基片分离速度也是提高成品率的关键。由于间距都在200 µ m 以下。因此，模板装在机器进行清洗就不再适用了，必须把模板从印刷机中拿下来进行超声波清洗或者压力喷射清洗。
总结。随着电子产品越来越小，功能越来越多，更多的电子产品需要这种尺寸更小、速度更快、**更便宜的元件。随着晶圆级封装的芯片将大量使用，wlp 成为大批量低成本芯片的主流封装技术，从而更需要倒装芯片技术。尽管模板印刷工艺现在是较成熟的凸点制造工艺，但是仍然需要进一步寻求更符合现代倒装芯片封装的凸点印刷工艺，继续使用它实现成本最低的凸点制造。