芯片的3D封装技术

芯片的3D封装技术F.RenDepartmentofChemicalEngineeringUniversityofFloridaGainesville,[e-mail]摘要•动因•倒装焊•UV激光钻孔•ICP导通孔刻蚀•结论•AlGaN/GaNHEMTsandMMICs功率放大器方面的发展•实现晶片导通孔以使低电感接地成为可能动因倒装焊•倒装焊是一种不使用焊线和引线的集成电路互联和封装的方法•倒装的优点–更高速的互联–低功率消耗–小针脚占用少的面板面积–轻重量封装•实现倒装的要求–需要隆起焊盘支起凹处的I/O盘以实现电互联及模具与衬底的连接倒装焊Sn-Pb共晶焊焊盘形成过程PbSn焊料块的SEM图•电镀后的PbSn焊料块(UBM:Ti:W/Cu)•回流焊后的PbSn焊料块(间距：50um,直径25um)•典型回流焊温度：250℃M-9A倒装焊机•焊接精确度：±0.5um•低压力（至9kg）•温度：至400℃•空气轴承组件•精确平面度控制•上下操作台的N2净化•闭路温度•力反馈•动力化的平板•光学系统隙缝光学系统明场暗场照明M-9A倒装焊机简介上样品台：基座和芯片下样品台：焊料块上样品台下样品台上升器Z向移动限制X向移动限制下操作台概览对齐-视频信号样品对齐前样品经操作杆对齐后In-Au焊接程序时间时间目前过程改进过程1、程序开始：30sec2、样品接触并加热：1min30sec2’、样品加压：200g至400g3、样品焊接：15min4、冷却：7min30sec5、充气混合MEMS可调谐滤波器倒装焊图示焊料块的喷墨沉积系统Ag/Sn焊料块：96.5%Sn/3.5%Ag金属线喷墨沉积系统互联的喷墨沉积系统铜导电体打印焊料快沉覆介电层打印焊料互联沉覆介电层器件制造喷墨系统PbSn合金性质•Pb提高抗腐蚀性•降低回流焊温度–37:63Pb:Sn：183℃，纯Sn:232℃•降低表面张力：470dyne/cm37:63:Pb:Sn,183℃550dyne/cm:纯Sn,232℃•缺点：毒性PbSn合金性质共晶组分63Sn/37Pb熔点183℃电阻14.99μΩ-cm延展性28-30%毒性高世界储量210000M磅费用$3.75/磅无Pb焊料块发展•纯Sn：熔点232℃•共晶Sn:Cu(0.8%)：熔点227℃•共晶Sn:Ag(3.5%)：熔点221℃•Sn:Ag(3.5%):Cu(0.7%)：熔点218℃AgSn合金性质共晶组分96.5Sn/3.5Ag熔点221℃电阻13.3μΩ-cm延展性73%毒性低世界储量530M磅费用$8.04/磅AgSn合金性质•控制Ag组分避免熔点剧烈升高•∼3.5%Ag=221°C•∼10%Ag=300°CCuSn合金性质共晶组分99.3Sn/0.7Cu熔点227℃电阻11.67μΩ-cm延展性30%毒性低世界储量750.000M磅费用$2.42/磅CuSn合金性质•控制Cu组分避免熔点剧烈升高•∼0.7%Ag=227°C•∼5%Ag=375°C焊料分解速率250℃215℃金16767铜5.33.2钯2.80.7镍0.20.2（微英寸/秒）激光钻孔•导通孔制备的一种方法•极高的刻蚀速率：10s左右•选择合适的激光，装置，优化功率，可产生较小的碎片，并无干法刻蚀中的掩膜沟道或微掩膜效应•激光提供可观的材料适用弹性，并不需要附加的过程背面过程中的激光通孔激光钻孔的机制UV激光钻孔装置大面积加工UV激光钻孔的光束轮廓未整形的准分子激光光束是高斯及平台顶分布，不适合均匀的曝光单一装置的多重钻孔UV激光钻孔实例UV激光钻孔实例UV激光钻孔实例末端斜坡UV激光钻孔实例锁口喷嘴30um出口集成了液体储存器及通道的喷嘴UV激光钻孔实例圆柱形物件的钻孔UV激光钻孔实例直径：75+/-2um零倾斜孔0.5mm衬底准分子激光成型vs基于光刻的成型技术(a)激光烧蚀技术(b)基于光刻的技术UV激光钻孔实例UV激光钻孔实例高产率和快划线速率产生的极窄结果动因•激光钻孔速度快，但串行，产生小颗粒，且对正面金属无选择性•ICP刻蚀更适合大面积晶片及大导通孔密度的器件目标•ICP刻蚀SiC通孔的发展–刻蚀速率应超过250nm/min–刻蚀轮廓应各向同性–高的掩膜选择比–微掩膜效应最小化–Au被刻穿前刻蚀须停止以前的工作•SiC晶片总厚度:～275um•ICP刻蚀条件：–SF6：50sccm–O2：10sccm–压强：7mTorr–ICP功率：750-950mW–Rf功率：100-250mW–温度：25℃–速率：~0.65um/min严重的微掩膜沟道效应•7mTorr下，沟道效应明显–Au被刻穿的危险增大–起因：高离子流导致孔底部的离子堆积•将压强增至12mTorr可消除沟道效应–ICP功率和离子能量没有作用–速率同时降至250nm/min提高刻蚀速率•使用SF6/O2刻蚀速率很慢–12mTorr下，250nm/min–刻蚀深度及暴露面积增大，孔直径减小时，刻蚀速率下降•目标：–确定速度限制阶点–提高刻蚀速率，但不破坏刻蚀轮廓，避免沟道及微掩膜效应提高刻蚀速率：等离子体化学组分•加入阳性气体提高正离子流量•He,Ar都可以提高速率•与He相比，Ar原子更重，具有较低的电子碰撞电离阈值能•够到效应仍然存在，但可以忽略•50sccm的流量最优微掩膜效应•严重问题导致大块导通孔刻蚀失败–形成柱状物–高密度的柱状物导致刻蚀失败微掩膜效应：起源•不挥发性刻蚀产物的再沉积–坚硬的刻蚀掩膜–托盘–刻蚀腔体：铝夹具•SiC中的缺陷–传递–研磨过程产生的颗粒和缺陷微掩膜效应：He和Ar•添加He和Ar显著降低微掩膜数量•三幅图取自同一晶片微掩膜效应：预处理•进一步提高：–柱状物高度一致且数量不随刻蚀深度增加而增加•表明其是由于近表面缺陷或污染引起•刻蚀前引入物理溅射处理盘状蓝宝石•研磨前SiC晶片安装在盘状蓝宝石上•由于工艺过程的困难，晶片减薄至100um，以期望整个背面工艺过程中晶片保留在盘状蓝宝石上–前面的工作表明，不同的刻蚀托盘中，Al会产生不可接受的微掩膜效应盘状蓝宝石•SF6/O2导致通孔彻底失败•SF6/O2/Ar得到了意想不到的效果！盘状蓝宝石•另外，刻蚀速率有很大提高–可能由于热导降低，导致表面在刻蚀时温度较高–各种气分下，速率提高~35%Au穿透•刻蚀过程中可能发生Au穿透，导致刻蚀失败–研磨过程中引入的倾斜可能足够大以致于在其他通孔中SiC清除前，有些位置的GaN和Au已经刻穿Au穿透：Ni刻蚀停止层•低RF功率提高选择比，但–降低SIC刻蚀速率–等离子体不稳定•引入Ni刻蚀停止层–与当前工艺兼容–选择比：~50：1–150nm可以允许9umSiC10%的过刻蚀已刻蚀的通孔：停止于GaN•5minAr预处理•SF6/O2/Ar:50/10/50750/150W/12mTorr•刻蚀时间：360~450min•SiC刻蚀速率：0.22~0.30um/min•SiC:GaN选择比可以接受•光学上确定结束点：–GaN具有彩虹状干涉图样•初始通孔成品率：对于1/4的2英寸晶片，约30~40%•工艺提高后，通孔成品率：对于完整2英寸晶片，95%已刻蚀的通孔：停止于Au•SiC刻蚀：750W/100W/12mTorr•GaN刻蚀：350W/25W/3mTorrCl2/BCl3GaN刻蚀速率：190nm/min对Ni或Au选择比：5:1•停止点由无GaN残留时从光学上确定刻蚀进阶Ni刻蚀停止层的去除湿法腐蚀：H2SO4/H2O2/H2O(3:1:4)成品率数据•采用优化条件，通过16轮实验测定成品率–750W/100W,5minAr预处理–750W/100WSF6/O2/Ar50:10:50sccm刻蚀–成品率约100%•最初5片完整2英寸光学估测成品率90%结论•刻蚀速率提高到500nm/min,同时沟道效应可以控制•通过Ar的预处理及刻蚀中引入Ar，可以控制微掩膜效应•研磨倾斜及非均一刻蚀已通过Ni刻蚀停止层解决•在可接受的刻蚀速率下得到95%的薄SiC晶片刻蚀成品率