芯片互连

WireBonding第六章芯片互连一、引线键合(WB)技术WB是将半导体芯片焊区与微电子封装的I／O引线或基板上的金属化布线焊区用金属细丝连接起来的工艺技术：焊区金属一般为AL或Au金属丝。多数是1微米至数百微米直径的Au丝、A1丝和Si一A1丝。焊接方式有热压焊、超声键合焊和金丝球焊三种。BondingPadHeat&USPowerEFOAuWireCapillaryLeadWireClampLeadHeat&USPower1、WB的分类及特点（1）热压焊热压焊是利用加热和加压力，使金属丝与A1或Au的金属焊区压焊在一起。其原理是通过加热和加压力．使焊区金属(如AL)发生塑性形变，同时破坏压焊界面上的氧化层，使压焊的金属丝与焊区金属接触面的原子间达到原子的引力范围，从而使原子间产生吸引力，达到“键合”的目的。此外，两金属界面不平整，加热加压时，可使上、下的金属相互镶嵌。热压焊的焊头与芯片均要加热，焊头加热到150度左右，芯片通常加热到200度以上，容易使焊丝和焊区形成氧化层：同时，由于芯片加热温度高，压焊时间一长．容易损害芯片影响器件的可靠性和使用寿命。如Au—A1金属化系统．焊接处在高温下，Au向Al从中迅速扩散，形成金属间化合物就有Au2Ａl(“白斑”),而且多是脆性的，导电率较低，因此，使用得越来越少。超声焊又称超声键合、它是利用超声波发生器产生的能量．通过磁致伸缩换能器，在高频磁场感应下，迅速伸缩而产生弹性振动，破坏Al层界面的氧化层．使两个纯净的金属面紧密接触、达到原子级的“键合”，从而形成牢固的焊接。超声键合与热压焊相比，能充分去除焊接截面金属氧化层，提高焊接质量，焊接强度高于热压焊，超声焊不需加热．可在常温下进行，因此芯片性能无损害，这对器件的可靠性和长期使用寿命都是十分有利的。（2）超声焊现代的金丝球焊机往往还带有超声功能．从而又具备超声焊的优点、有的也叫做热(压)(超)声焊：球焊时，衬底(承片台)仍需加热，压焊时加超声，因此其加热温度远比普通的热压焊低(一般加热到100度即可)：所加压力一般为0.5N／点，与热压焊相同。（3）金丝球焊（4）引线键合的主要材料不同的焊接方法，所选用的引线键合材料也不同。如热压焊、金丝球焊主要选用Au丝．超声焊主要用A1丝和Si一A1丝，还有少量的Cu—AI丝和Cu一Si一Au丝等：这些金属材料都具有下述埋想要求的大部分优良特性，如能与半导体材料形成低阻的欧姆接触；Au的化学性能稳定，Au—Au和A1一A1同种金属间不会形成有害的金属间化合物；与半导体材料的结合力强；电导率高，导电能力强；可塑性好，易于焊接，并能保持—定的形状等。二、载带自动焊(TAB)技术TAB技术早在1965年就由美国通用电气(GE)公司研究发明出来，当时称为“微型封装”，1971年．法国BullSA公司将它称为“载带自动焊”，以后这—叫法就一直延续下来。这是一种有别干且优于WB、用于薄型LSI芯片封装的新型芯片互连技术：直到20世纪80年代中期．TAB技术一直发展缓慢。随着多功能、高性能LSI和VLSI的飞速发展，I／O数迅速增加，电子整机的高密度组装及小型化、薄型化的要求日益提高，到1987年，TAB技术又重新受到电子封装界的高度重视：美国的仙章公司(现在的松下子公司)、Motorola公司、松下半导体公司和德克萨斯仪器公司等应用TAB技术成功地替代了DIP塑封。美、日、西欧各国竞相开发应用TAB技术、使其很快在消费类电子产品中获得广泛的应用，主要用于液晶显示、智能IC卡、计算机、电子手表、计算器、录像机和照相机中：在这些应用小，日本使用TAB技术在数量和工艺技术、设备诸方面都是领先的，直至今日仍是使用TAB的第一大户，美、欧次之，亚洲的韩国也有一定的用量．俄罗斯也有使用。芯片铜箔引线链轮齿孔ＴＡＢ多点—次焊接焊点:较厚芯片铜箔引线ＰI传送胶带链轮齿孔ＴＡＢ多点—次焊接焊点:较薄铜箔ＰI传送胶带芯片基板芯片表面互连线基板表面互连线凸点TAB一般采用Cu箔引线，导热和导电性能好，机械强度高。TAB使用标淮化的卷轴长带(长100m)，对芯片实行自动化多点—次焊接；同时，安装及外引线焊镀可以实现自动化，可进行工业化规模生产，从而提高电子产品的生产效率，降低产品成本。1、TAB的关键技术TAB的关键技术主要包括三个部分，一是芯片凸点的制作技术；二是TAB载带的制作技术；三是载带引线与芯片凸点的内引线焊接技术和载带外引线的焊接技术。（1）基带材料基带材料要求高温性能好．与Cu箔的粘接性好，耐温高．热匹配性好，收缩率小且尺寸稳定，抗化学腐蚀性强，机械强度高，吸水率低等。从综合性能来看，聚酰亚胺(PI)基本都能满足这些要求，所以是公认的使用广泛的基带材料，唯独价格较高。（2）TAB的金属材料制作TAB的引线图形的金属材料除少数使用A1箔外．一般都采用Cu箔。这是因为Cu的导电、导热性能好、强度高，延展性和表面平滑性良好，与各种基带粘接牢闯，不易剥离，特别是易于用光刻法制作出精细、复杂的引线图形，又易于电镀Au、Ni、Pb—Sn等易焊接金属，是较为理想的TAB引线金属材料。（3）芯片凸点的金属材科TAB技术要求在芯片的焊区上先制作凸点，然后才能与Cu箔引线进行焊接，芯片焊区金属通常为A1膜，为使AI膜和芯片钝化层粘附牢固，要先淀积—层粘附层金属；接着，还要淀积一层阻档层金属，以防止最外层的凸点金属与A1互扩散，形成不希望有的金属间化合物；最上层才是具有一定高度要求的凸点金属。也可以将芯片焊区的凸点制作在TAB的Cu箔引线上，芯片只做多层金属化．或者芯片上仍是AI焊区。这种TAB结构又称为凸点载带自动焊(BTAB)。粘附层Ti阻挡层WAl层凸点Au2、TAB载带的设计要点TAB的载带引线图形是与芯片凸点的布局紧密配合的，即首先预知或精确测量出芯片凸点的位置、尺寸和节距，然后再设计载带引线图形。引线图形的指端位置、尺寸和节距要和每个芯片凸点一一对应。其次，载带外引线焊区又要与电子封装的基板布线焊区一一对应，由此这决定了每根载带引线的长度和宽度。根据用户使用要求和I／O引脚的数量、器件性能要求的高低(决定是否进行筛选和测试)以及成本的要求等，来确定选择单层带、双层带、三层带：双金属层带。单层带要选择50—70微米的厚Cu箔，以保持裁带引线图形在工艺制作过程和使用的强度，也有利于保持引线指端的共面性，使用其他几类载带，因有PI支撑，可选择18—35微米或更薄的Cu箔从芯片凸点焊区到外引线焊区，载带引线有一定的长度，并从内向四周均匀“扇出”。载带引线接触芯片凸点的部分较窄，而越接近外焊区．载带引线越宽。由内向外载带引线的由窄变宽应是渐变的，而不应突变，这样可以减少引线的热应力和机械应力。TAB按其结构和形状，分为Cu箔单层带、Cu—PI双层带、Cu—粘接剂一PI三层带和Cu—PI—Cu双金属带四种，以三层带和双层带使用居多。3、TAB载带的分类与制作技术（1）TAB单层带的制作技术TAB单层带是厚度为50—70微米的Cu箔，制作工艺较为简单。首先要冲制出标准的定位传送孔(使载带如电影胶片—样卷绕和用链轮传送：用光刻法制作，需要制光刻版．并进行双面光刻。先在Cu箔的一面涂光刻胶，进行光刻，曝光、显影后，背面再涂光刻胶保护；接着，进行腐蚀和去胶；最后进行电镀和退火处理。腐蚀后的Cu箔引线图形区去胶后一般进行全面电镀。只有对贵金属Au，为了降低成本，节省Au时，才只在内、外引线焊接区进行局部电镀，不镀的部分要进行保护，但这又会增加工艺的复杂性和难度。也可全面镀Au，不用的引线框架待回收Au后再利用。（2）TAB双层带的制作技术TAB双层带是指金属箔和PI两层而言。金属箔为Cu箔或A1箔，以Cu箔使用较多.PI是由液态聚酰胺酸(PA)涂覆在金属箔上，然后再两面涂覆光刻胶，经光刻刻蚀，分别形成局部亚胺化的PI框架和金属引线图形，同时形成定位传送孔；最后，在高温(350度)下再将全部PA亚胺化，形成具有PI支撑架和金属引线图形的TAB双层带，然后对引线图形进行电镀。（3）TAB三层带的主要制作过程包括如下步骤(1)制作冲压模具。冲压模具是可同时冲制PI膜定位传送孔和PI框架的高精度硬质合金模具。(2)连续冲压PI膜定位传送孔和PI框架。(3)涂敷粘结剂。粘结剂通常是实现附好在PI上的。冲压时，通孔处的粘接剂层也被冲压掉。(4)粘覆Cu箔。将冲压好的PI膜覆上Cu箔．放置到高温高压设备上进行加热加压，要求压制Cu箔和PI膜间无明显气泡，压制的三层带均匀一致性好。(5)按设计要求对大面积冲压好的三层带进行切割。(6)将设计好的引线图形制版，经光刻、腐蚀、电镀等工艺，完成所需要的引线图形：这与单层Cu箔的制作工艺是相同的。（4）TAB双金属带的制作技术TAB双金属带的制作，可将PI膜先冲压出引线图形的支撑框架，然后双面粘接Cu箔，应用双面光到技术，制作出双面引线图形，对两个图形PI框架间的通空孔再进行局部电镀形成上下金属互连。4、TAB的焊接技术(1)内引线焊接技术这两种焊接方法都是使用半自动或全自动的内引线焊接机进行多点—次焊接的。焊接时的主要工艺操作为对位、焊接、抬起和芯片传送四步。对位将具有粘附层的Si圆片经测试并做好坏芯片标记，用划片机划成小片IC，并将芯片置于内引线压焊机的承片台上。按设计的焊接程序，将性能好的IC片置于卷绕在两个链轮上的载带引线图形的下面，使载带引线图形与芯片凸点进行精确对位；焊接将加热的热压焊头，加压一定时间，完成焊接。抬起抬起热压焊头，焊接机将压焊到裁带上的IC芯片通过链轮步进卷绕到卷轴上，同时下一个载带引线图形也步进到焊接对位的位置上。芯片传送供片系统按设定程序将下一个好的IC芯片转移到新的载带引线图形下方进行对位．从而完成了一个完整的焊接过程。(2)TAB的外引线焊接技术经筛选和测试的载带芯片，将性能好的载带芯片沿载带外引线的压焊区外沿剪下，先用粘接剂将芯片粘接在基板预留的芯片位置上，并注意使载带外引线焊区与基板的布线焊区一一对准，用热压焊法或热压回流焊法将外引线焊好，再固化粘接剂(也可先固化，后压焊)。对采用引线框架或在生产线上连续安装载带芯片的电子产品，可使用外引线压焊机将卷绕的载带芯片连续进行外引线焊接，焊接时即时应用切断装置在每个焊点外沿将引线和除PI支撑框架以外的部分切断并焊接。基板基板芯片表面互连线基板表面互连线20世纪60年代初，美国IBM公司首先研制开发出在芯片上制作凸点的倒装焊FＣＢ工艺技术，大大减少了引线的长度．基板芯片表面互连线基板表面互连线凸点三、倒装焊倒装焊(FCB)是芯片与基板直接安装互连的一种方法。WB和TAB互连法通常那是芯片面朝上安装互连、而FCB则是芯片面朝下．芯片上的焊区直接与基板上的焊区互连。因此，FCB的互连线非常短。互连产生的杂散电容、互连电阻和互连电感均比WB和TAB小得多，从而更适合高频、高速的电子产品应用。同时FCB芯片安装互连占的基板面积小．因而芯片安装密度高。此外，FCB芯片焊区可面阵布局、更适合；高I／O数的LSI、VLSI芯片使用。由于芯片的安装、互连是同时完成的．这就大大简化了安装互连工艺，快速、省时．适于使用先进的SMT进行工业化大批量生产。当然．FCB也有不足之处，如芯片面朝下安装互连，会给工艺操作带来一定难度，焊点检查困难(只能使用红外线和X光检查)；另外、在心片焊区一般要制作凸点，增加了芯片的制作工艺流程和成本，此外，倒装焊同各材料间的匹配所产生的应力问题也需要很好地解决等。但随着工艺技术和可靠性研究的不断深人，FCB存在的问题止逐一得到解决。这些公司使用FCB后的生产效率都比用WB法提高了3—5倍。随后的FCB技术发展并不快，因为中、小规模IC的I／O数少则几个．多的也只有数十个，用WB互连更加灵活方便.直至20世纪80年代中期．随着多功能、高性能LSI和VLSI的飞速发展，I／O数迅速增加，一些电子整机的高密度组装及小型化、薄型化要求日益提高，这时，FCB所具有的最高的安装密度、最高I／O数和较低的成本，以及可直接贴装l