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1、Wire Bonding,第六章 芯片互連,一、引線鍵合(WB)技術(shù) WB是將半導體芯片焊區(qū)與微電子封裝的IO引線或基板上的金屬化布線焊區(qū)用金屬細絲連接起來的工藝技術(shù)：焊區(qū)金屬一般為AL或Au金屬絲。多數(shù)是1微米至數(shù)百微米直徑的Au絲、A1絲和Si一A1絲。焊接方式有熱壓焊、超聲鍵合焊和金絲球焊三種。,,Bonding Pad,Heat & US Power,EFO,Au Wire,Capillary,Lead,Wire Clamp,,,,,,,,,Lead,,,Heat & US Power,,1、 WB的分類及特點 （1）熱壓焊 熱壓焊是利用加熱和加壓力，使金屬絲與A1或Au的金屬焊區(qū)

2、壓焊在一起。其原理是通過加熱和加壓力使焊區(qū)金屬(如A L)發(fā)生塑性形變，同時破壞壓焊界面上的氧化層，使壓焊的金屬絲與焊區(qū)金屬接觸面的原子間達到原子的引力范圍，從而使原子間產(chǎn)生吸引力，達到“鍵合”的目的。此外，兩金屬界面不平整，加熱加壓時，可使上、下的金屬相互鑲嵌。 熱壓焊的焊頭與芯片均要加熱，焊頭加熱到150度左右，芯片通常加熱到200度以上，容易使焊絲和焊區(qū)形成氧化層：同時，由于芯片加熱溫度高，壓焊時間一長容易損害芯片影響器件的可靠性和使用壽命。,如AuA1金屬化系統(tǒng)焊接處在高溫下，Au向Al從中迅速擴散，形成金屬間化合物就有Au2l (“白斑”),而且多是脆性的，導電率較低，因此，使用得

3、越來越少。,超聲焊又稱超聲鍵合、它是利用超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的能量通過磁致伸縮換能器，在高頻磁場感應下，迅速伸縮而產(chǎn)生彈性振動，破壞Al層界面的氧化層使兩個純凈的金屬面緊密接觸、達到原子級的“鍵合”，從而形成牢固的焊接。 超聲鍵合與熱壓焊相比，能充分去除焊接截面金屬氧化層，提高焊接質(zhì)量，焊接強度高于熱壓焊，超聲焊不需加熱可在常溫下進行，因此芯片性能無損害，這對器件的可靠性和長期使用壽命都是十分有利的。,（2）超聲焊,現(xiàn)代的金絲球焊機往往還帶有超聲功能從而又具備超聲焊的優(yōu)點、有的也叫做熱(壓)(超)聲焊： 球焊時，襯底(承片臺)仍需加熱，壓焊時加超聲，因此其加熱溫度遠比普通的熱壓焊低(一般加熱到1

4、00 度即可)：所加壓力一般為0.5N點，與熱壓焊相同。,（3）金絲球焊,（4）引線鍵合的主要材料 不同的焊接方法，所選用的引線鍵合材料也不同。如熱壓焊、金絲球焊主要選用Au絲超聲焊主要用A1絲和Si一A1絲，還有少量的CuAI絲和Cu一Si一Au絲等：這些金屬材料都具有下述埋想要求的大部分優(yōu)良特性，如能與半導體材料形成低阻的歐姆接觸；Au的化學性能穩(wěn)定，AuAu和A1一A1同種金屬間不會形成有害的金屬間化合物；與半導體材料的結(jié)合力強；電導率高，導電能力強；可塑性好，易于焊接，并能保持定的形狀等。,二、載帶自動焊(TAB)技術(shù) TAB技術(shù)早在1965年就由美國通用電氣(GE)公司研究發(fā)明出

5、來，當時稱為“微型封裝”，1971年法國Bull SA公司將它稱為“載帶自動焊”，以后這叫法就一直延續(xù)下來。這是一種有別干且優(yōu)于WB、用于薄型LSI芯片封裝的新型芯片互連技術(shù)：直到20世紀80年代中期TAB技術(shù)一直發(fā)展緩慢。隨著多功能、高性能LSI和VLSI的飛速發(fā)展，IO數(shù)迅速增加，電子整機的高密度組裝及小型化、薄型化的要求日益提高，到1987年，TAB技術(shù)又重新受到電子封裝界的高度重視：美國的仙章公司(現(xiàn)在的松下子公司)、Motorola公司、松下半導體公司和德克薩斯儀器公司等應用TAB技術(shù)成功地替代了DIP塑封。美、日、西歐各國競相開發(fā)應用TAB技術(shù)、使其很快在消費類電子產(chǎn)品中獲得廣泛的

6、應用，主要用于液晶顯示、智能IC卡、計算機、電子手表、計算器、錄像機和照相機中：在這些應用小，日本使用TAB技術(shù)在數(shù)量和工藝技術(shù)、設(shè)備諸方面都是領(lǐng)先的，直至今日仍是使用TAB的第一大戶，美、歐次之，亞洲的韓國也有一定的用量俄羅斯也有使用。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,芯片,,,,銅箔,,引線,,鏈輪齒孔,,多點次焊接,焊點,,,,,,,,,,,,,:較厚,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,芯片,,,,銅箔,,引線,,I傳送膠帶,,鏈輪齒孔,,多點次焊接,焊點,,,:較薄,,,,,,,,

7、,,銅箔,,I傳送膠帶,,芯片,,基板,,,,,,,,,芯片表面互連線,基板表面互連線,,,凸點,,,,TAB一般采用Cu箔引線，導熱和導電性能好，機械強度高。TAB使用標淮化的卷軸長帶(長100 m)，對芯片實行自動化多點次焊接；同時，安裝及外引線焊鍍可以實現(xiàn)自動化，可進行工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)，從而提高電子產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，降低產(chǎn)品成本。,1、TAB的關(guān)鍵技術(shù) TAB的關(guān)鍵技術(shù)主要包括三個部分，一是芯片凸點的制作技術(shù)；二是TAB載帶的制作技術(shù)；三是載帶引線與芯片凸點的內(nèi)引線焊接技術(shù)和載帶外引線的焊接技術(shù)。,（1）基帶材料 基帶材料要求高溫性能好與Cu箔的粘接性好，耐溫高熱匹配性好，收縮率小且尺

8、寸穩(wěn)定，抗化學腐蝕性強，機械強度高，吸水率低等。從綜合性能來看，聚酰亞胺(PI)基本都能滿足這些要求，所以是公認的使用廣泛的基帶材料，唯獨價格較高。,（2）TAB的金屬材料 制作TAB的引線圖形的金屬材料除少數(shù)使用A1箔外一般都采用Cu箔。這是因為Cu的導電、導熱性能好、強度高，延展性和表面平滑性良好，與各種基帶粘接牢闖，不易剝離，特別是易于用光刻法制作出精細、復雜的引線圖形，又易于電鍍Au、Ni、PbSn等易焊接金屬，是較為理想的TAB引線金屬材料。,（3）芯片凸點的金屬材科 TAB技術(shù)要求在芯片的焊區(qū)上先制作凸點，然后才能與Cu箔引線進行焊接，芯片焊區(qū)金屬通常為A1膜，為使AI膜和芯片

9、鈍化層粘附牢固，要先淀積層粘附層金屬；接著，還要淀積一層阻檔層金屬，以防止最外層的凸點金屬與A1互擴散，形成不希望有的金屬間化合物；最上層才是具有一定高度要求的凸點金屬。 也可以將芯片焊區(qū)的凸點制作在TAB的Cu箔引線上，芯片只做多層金屬化或者芯片上仍是AI焊區(qū)。這種TAB結(jié)構(gòu)又稱為凸點載帶自動焊(BTAB)。,,,,,,,,,,,粘附層Ti,阻擋層W,Al層,,,,凸點Au,,2、TAB載帶的設(shè)計要點 TAB的載帶引線圖形是與芯片凸點的布局緊密配合的，即首先預知或精確測量出芯片凸點的位置、尺寸和節(jié)距，然后再設(shè)計載帶引線圖形。引線圖形的指端位置、尺寸和節(jié)距要和每個芯片凸點一一對應。其次，載

10、帶外引線焊區(qū)又要與電子封裝的基板布線焊區(qū)一一對應，由此這決定了每根載帶引線的長度和寬度。 根據(jù)用戶使用要求和IO引腳的數(shù)量、器件性能要求的高低(決定是否進行篩選和測試)以及成本的要求等，來確定選擇單層帶、雙層帶、三層帶：雙金屬層帶。單層帶要選擇5070微米的厚Cu箔，以保持裁帶引線圖形在工藝制作過程和使用的強度，也有利于保持引線指端的共面性，使用其他幾類載帶，因有PI支撐，可選擇1835微米或更薄的Cu箔從芯片凸點焊區(qū)到外引線焊區(qū)，載帶引線有一定的長度，并從內(nèi)向四周均勻“扇出”。載帶引線接觸芯片凸點的部分較窄，而越接近外焊區(qū)載帶引線越寬。由內(nèi)向外載帶引線的由窄變寬應是漸變的，而不應突變，這

11、樣可以減少引線的熱應力和機械應力。,TAB按其結(jié)構(gòu)和形狀，分為Cu箔單層帶、CuPI雙層帶、Cu粘接劑一PI三層帶和CuPICu雙金屬帶四種，以三層帶和雙層帶使用居多。,3、TAB載帶的分類與制作技術(shù),（1）TAB單層帶的制作技術(shù) TAB單層帶是厚度為5070微米的Cu箔，制作工藝較為簡單。首先要沖制出標準的定位傳送孔(使載帶如電影膠片樣卷繞和用鏈輪傳送：用光刻法制作，需要制光刻版并進行雙面光刻。先在Cu箔的一面涂光刻膠，進行光刻，曝光、顯影后，背面再涂光刻膠保護；接著，進行腐蝕和去膠；最后進行電鍍和退火處理。腐蝕后的Cu箔引線圖形區(qū)去膠后一般進行全面電鍍。只有對貴金屬Au，為了降低成本，節(jié)

12、省Au時，才只在內(nèi)、外引線焊接區(qū)進行局部電鍍，不鍍的部分要進行保護，但這又會增加工藝的復雜性和難度。也可全面鍍Au，不用的引線框架待回收Au后再利用。,（2）TAB雙層帶的制作技術(shù) TAB雙層帶是指金屬箔和PI兩層而言。金屬箔為Cu 箔或A1箔，以Cu箔使用較多. PI是由液態(tài)聚酰胺酸(PA)涂覆在金屬箔上，然后再兩面涂覆光刻膠，經(jīng)光刻刻蝕，分別形成局部亞胺化的PI框架和金屬引線圖形，同時形成定位傳送孔；最后，在高溫(350度)下再將全部PA亞胺化，形成具有PI支撐架和金屬引線圖形的TAB雙層帶，然后對引線圖形進行電鍍。,（3）TAB三層帶的主要制作過程包括如下步驟 (1)制作沖壓模具。沖壓

13、模具是可同時沖制PI膜定位傳送孔和PI框架的高精度硬質(zhì)合金模具。 (2)連續(xù)沖壓PI膜定位傳送孔和PI框架。 (3)涂敷粘結(jié)劑。粘結(jié)劑通常是實現(xiàn)附好在PI上的。沖壓時，通孔處的粘接劑層也被沖壓掉。 (4)粘覆Cu箔。將沖壓好的PI膜覆上Cu箔放置到高溫高壓設(shè)備上進行加熱加壓，要求壓制Cu箔和PI膜間無明顯氣泡，壓制的三層帶均勻一致性好。 (5)按設(shè)計要求對大面積沖壓好的三層帶進行切割。 (6)將設(shè)計好的引線圖形制版，經(jīng)光刻、腐蝕、電鍍等工藝，完成所需要的引線圖形：這與單層Cu箔的制作工藝是相同的。,（4）TAB雙金屬帶的制作技術(shù) TAB雙金屬帶的制作，可將PI膜先沖壓出引線圖形的支撐

14、框架，然后雙面粘接Cu箔，應用雙面光到技術(shù)，制作出雙面引線圖形，對兩個圖形PI 框架間的通空孔再進行局部電鍍形成上下金屬互連。,4、TAB的焊接技術(shù) (1)內(nèi)引線焊接技術(shù) 這兩種焊接方法都是使用半自動或全自動的內(nèi)引線焊接機進行多點次焊接的。焊接時的主要工藝操作為對位、焊接、抬起和芯片傳送四步。 對位 將具有粘附層的Si圓片經(jīng)測試并做好壞芯片標記，用劃片機劃成小片IC，并將芯片置于內(nèi)引線壓焊機的承片臺上。按設(shè)計的焊接程序，將性能好的IC片置于卷繞在兩個鏈輪上的載帶引線圖形的下面，使載帶引線圖形與芯片凸點進行精確對位； 焊接 將加熱的熱壓焊頭，加壓一定時間，完成焊接。,抬起 抬起熱壓焊頭，焊

15、接機將壓焊到裁帶上的IC芯片通過鏈輪步進卷繞到卷軸上，同時下一個載帶引線圖形也步進到焊接對位的位置上。 芯片傳送 供片系統(tǒng)按設(shè)定程序?qū)⑾乱粋€好的IC芯片轉(zhuǎn)移到新的載帶引線圖形下方進行對位從而完成了一個完整的焊接過程。,(2)TAB的外引線焊接技術(shù) 經(jīng)篩選和測試的載帶芯片，將性能好的載帶芯片沿載帶外引線的壓焊區(qū)外沿剪下，先用粘接劑將芯片粘接在基板預留的芯片位置上，并注意使載帶外引線焊區(qū)與基板的布線焊區(qū)一一對準，用熱壓焊法或熱壓回流焊法將外引線焊好，再固化粘接劑(也可先固化，后壓焊)。對采用引線框架或在生產(chǎn)線上連續(xù)安裝載帶芯片的電子產(chǎn)品，可使用外引線壓焊機將卷繞的載帶芯片連續(xù)進行外引線焊接，

16、焊接時即時應用切斷裝置在每個焊點外沿將引線和除PI支撐框架以外的部分切斷并焊接。,,,基板,,基板,,,,,,,芯片表面互連線,基板表面互連線,,,20世紀60年代初，美國IBM公司首先研制開發(fā)出在芯片上制作凸點的倒裝焊F工藝技術(shù)，大大減少了引線的長度,,,基板,,,,,芯片表面互連線,基板表面互連線,,,凸點,,三、倒裝焊,倒裝焊(FCB)是芯片與基板直接安裝互連的一種方法。WB和TAB互連法通常那是芯片面朝上安裝互連、而FCB則是芯片面朝下芯片上的焊區(qū)直接與基板上的焊區(qū)互連。因此，F(xiàn)CB的互連線非常短。互連產(chǎn)生的雜散電容、互連電阻和互連電感均比WB和TAB小得多，從而更適合高頻、高速的電子

17、產(chǎn)品應用。同時FCB芯片安裝互連占的基板面積小因而芯片安裝密度高。此外， FCB芯片焊區(qū)可面陣布局、更適合；高IO數(shù)的LSI、VLSI芯片使用。由于芯片的安裝、互連是同時完成的這就大大簡化了安裝互連工藝，快速、省時適于使用先進的SMT進行工業(yè)化大批量生產(chǎn)。當然FCB也有不足之處，如芯片面朝下安裝互連，會給工藝操作帶來一定難度，焊點檢查困難(只能使用紅外線和X光檢查)；另外、在心片焊區(qū)一般要制作凸點，增加了芯片的制作工藝流程和成本，此外，倒裝焊同各材料間的匹配所產(chǎn)生的應力問題也需要很好地解決等。但隨著工藝技術(shù)和可靠性研究的不斷深人，F(xiàn)CB存在的問題止逐一得到解決。,這些公司使用FCB后的生產(chǎn)效率

18、都比用WB法提高了35倍。隨后的FCB技術(shù)發(fā)展并不快，因為中、小規(guī)模IC的IO數(shù)少則幾個多的也只有數(shù)十個，用WB互連更加靈活方便. 直至20世紀80年代中期隨著多功能、高性能LSI和VLSI的飛速發(fā)展，IO數(shù)迅速增加，一些電子整機的高密度組裝及小型化、薄型化要求日益提高，這時，F(xiàn)CB所具有的最高的安裝密度、最高IO數(shù)和較低的成本，以及可 直接貼裝l等優(yōu)越性，因其旺盛的需求而充分發(fā)揮出來，美網(wǎng)、日本、歐洲的各大電子公司都相繼研制開發(fā)出各種各樣的FCB工藝技術(shù)。,1芯片凸點下多層金屬化 各種I芯片的焊區(qū)金屬均為A1，在A1焊區(qū)上制作各類凸點，除Al凸點外制作其余凸點均需在A1焊區(qū)和它周圍的鈍化

19、層或氧化層上形成一層粘附性好的粘附金屬，一般為數(shù)十納米厚度的r、Ti、N5層；接著在粘附金屬層上形成一層數(shù)十至數(shù)百納米厚度的阻擋層金屬，如Pt、、Pd、Mo、u、Ni等，以防止上面的凸點金屬(如Au等)越過薄薄的粘附層與Al焊區(qū)形成脆性的中間金屬化合物；最上層是導電的凸點金屬，如Au、u、Ni、PbSn、In等。這就構(gòu)成了 粘附層-阻擋層-導電層的多層金屬化系統(tǒng)前面的表28已列出了各類多層金屬化系統(tǒng)。,在多層金屬化系統(tǒng)上，可用多種方法形成不同尺寸和高度要求的凸點金屬，其分類可按凸點材料分類，也可按凸點結(jié)構(gòu)和形狀進行分類。 (1)按凸點材料分類 按凸點材料分類，有Au凸點、NiAu凸點、Au

20、-Sn凸點、Cu凸點、CuPbSn凸點、In凸點、Pb-Sn凸點和聚合物凸點等，其中應用最廣的是Au凸點和PbSn凸點。 (2)按凸點結(jié)構(gòu)和形狀分類 按凸點形狀分類，有蘑菇狀、柱狀(方形、圓柱形)、球形和疊層幾種。按凸點結(jié)構(gòu)分類，有周邊分布凸點和面陣分布凸點等。其中，應用最多的是柱狀凸點、球形凸點、周邊分布凸點和面陣分布凸點。,,,,,,,,,,,粘附層Ti,阻擋層W,Al層,,,,凸點Au,,2、凸點制作法 （1）電鍍法 電鍍法是國際上最為普遍且工藝成熟的凸點制作方法。該方法不僅加工工序少，工藝簡便易行，而且適于大批量制作各種類型的凸點。圖2，17為典型的TiWAu凸點制作工藝流程，下

21、面作詳細論述。,(2)打球(釘頭)凸點制作法 打球凸點制作法是利用常用的Au絲球焊接機制作完成的,經(jīng)檢測后的圓片，應先在其A1焊區(qū)上形成多層金屬化，與上述電鍍凸點制作多層金屬化的方法相同。在I芯片的各個A1焊區(qū)上形成多層金屬化后，就可在其上放置焊料球。如何給這個焊料球定位呢這就要使用掩模板。掩模板可用0.1mm厚的不銹鋼制作，制作的開孔需與比芯片上的焊區(qū)一一對應。制作方法多用蝕刻法和激光切割法。將制作的掩模板與芯片焊區(qū)對位后進行固定，即可放置焊料球，焊料球正好位于掩模扳的每個開孔中。將不在開孔中的焊料球清除干凈，就可進行焊料再流：將放置焊料球的圓片連同掩模板一起推進爐中再流：再流須在H2或

22、N2保護氣氛下進行，以便焊料球在熔化過程中不形成氧化層，使之能與焊區(qū)的多層化金屬形成良好的浸潤焊料球允分熔化后，即可將圓片置于低溫區(qū)焊料就在掩模扳的限制下，以底層金屬為基面而收縮成一個個半球狀的PbSn焊料凸點 最后取下掩模板，芯片凸點即制作完華,(3)置球及模板印刷制作焊料凸點的工藝方法,3、FCB的工藝方法,（1）熱壓FCB法 這種方法是使用倒裝焊接機完成對準各種凸點，倒裝焊接機是由光學成像對位系統(tǒng)、撿拾熱壓超聲焊頭、精確定位承片臺 及顯示系統(tǒng)等組成的精密設(shè)備，將欲FB的基板放在承片臺上，用撿拾焊頭撿拾帶有凸點的芯片，面朝下對著基板，路光學攝像頭對著凸點芯片面，一路光學攝像頭對準基板上的

23、焊區(qū)，分別進行調(diào)準列對位，并顯示在屏上。待調(diào)準對位達到要求的精度后，即可落下壓焊頭進行壓焊：壓焊頭可加熱，并帶有超聲同時承片臺也對基板加熱，在加熱、加壓、超聲到設(shè)定的時間后就完成所有凸點與基板焊區(qū)的焊接。FB時芯片與基板的平行度非常重要，如果它們不平行、焊接后的凸點形變將有大有小致使拉力強度也有高有低，有的焊點可能達不到使用要求。所以調(diào)平芯片與基板的平行度對焊接質(zhì)量至關(guān)重要，調(diào)平系統(tǒng)的原理如圖228所示,（2）環(huán)氧樹脂光固化法 這是一 種微凸點FB法。與一般倒裝焊截然不同的是，這里是利用光敏樹脂光固化所產(chǎn)生的收縮力將凸點與基板上金屬焊區(qū)牢固地互連在一起，不是“焊接”，而是“機械接觸”。其工藝

24、步驟為在基板上涂光敏樹脂；芯片凸點與基板金屬焊區(qū)對位貼裝，加紫外光()并加壓光固化、從而完成芯片倒裝焊，如圖232所示：這種例裝焊又叫機械接觸法。,光固化后的收縮應力能使凸點與基板的金屬電極形成牢固的機械接觸。 這種使用光固化樹脂的例裝焊法，工藝簡便，不需昂貴的設(shè)備投資故倒裝焊成本低，是一種很有發(fā)展前途的倒裝焊技術(shù)。,（3）各向分性導電膠FCB法,先在基板上涂覆各向異性導電膠（AA）薄膜，將帶有凸點的 芯片與基板上的金屬焊區(qū)對位后，在芯片上加壓力：進行AA固化，這樣，導電粒子擠壓在凸點與焊區(qū)之間，使上下接觸導電，而在xy平面各方向上導電粒子不連續(xù)，放不導電,（4）回流CB法 這種焊接方法專

25、對各類Pb-Sn焊料凸點進行再流焊接，俗稱再流焊接法：這種FCB技術(shù)。將帶有凸點的 芯片與基板上的金屬焊區(qū)對位后，一起放進回流爐里進行回流焊利用焊料凸點的自準效應，實現(xiàn)精確的確,四、各種芯片互連方法的比較,在微電子封裝技術(shù)中，半導體器件的失效約有l(wèi)4l3是內(nèi)芯片互連引起的故芯片互連對器件長期使用的可靠件影響很大。在傳統(tǒng)的WB中，互連引起的失效主要表現(xiàn)為引線過長，與裸芯片易形成短路，燒毀芯片；壓焊過重，引線過分變形，損傷引線，容易造成壓焊處斷裂；壓焊過輕，或芯片焊區(qū)表面太臟，導致虛焊，壓焊點易于脫落；壓焊點壓扁，因此鍵合強度大為減小，或造成壓焊點間距過小而易于短路；此外，壓點處留絲過長，引線過緊、過松等，均易引起器件過早失效。在TAB和FCB小也存在WB中的部分失效問題，同時也有它們自身的特殊問題，如由于芯片凸點的高度一致性差，群焊(多點次焊接)時凸點形變不一致，從而造成各焊點的鍵合強度有高有低；由于凸點過低，使集中于焊點周圍的熱應力過大，而易造成鈍化層開裂；面陣凸點FCB時，由于與基板不匹配，芯片的焊點應力由中心向周邊逐次升高輕者可引起封裝基板變形，重者可導致遠離芯片中心的凸點焊接處開裂失效等。,