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倒装芯片封装的主要四个步骤与芯片封装清洗介绍

合明科技 👁 2286 Tags:倒装芯片芯片封装清洗 CMOS 工艺
倒装芯片包括许多不同的工艺方法。目前,业界倒装芯片的凸点技术主要有金凸点、锡凸点及铜柱凸点,对应的焊接工艺主要为超声波热压焊、回流焊及热压焊。由于技术的发展和产品的不同,底部填充工艺主要分为毛细底部填充、塑封底部填充、非导电型胶水(NCP)或胶膜 (NCF)底部填充。图所示为凸点示意图。

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随着圆片 CMOS 工艺不断向 16nm、10nm、7nm 等高密度方向发展,对芯片V0的密度和性能要求越来越高,这都需要产品采用倒装工艺来满足芯片的需求。倒装芯片对高密度微凸点技术、小节距倒装芯片键合技术及底部填充技术等方面的封装工艺及可靠性的要求也越来越高。每种工艺方法都有不同之处,且应用范围也有所不同。例如,就电路板或基板类型的选择而言,无论它是有机材料、陶瓷材料还是柔性材料,都决定着组装材料(包括凸点类型、焊剂底部填充材料等)的选择,而且在一定程度上还决定着所需设备的选择。因此,未来倒装芯片的封装需要结合产品应用、芯片设计、封装设计、封装材料、封装设备及封装工艺来共同选择工艺组合,以找到最优的封装方案。

如今,倒装芯片技术已广泛应用于消费类电子领域,未来在物联网、汽车电子、大数据等方面的应用也会更广泛,倒装芯片封装被认为是推进低成本高密度便携式电子设备制造所必需的一项工艺。

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倒装芯片主要通过四个步骤完成:

第一步:凸点底部金属化 (UBM=under bump metallization)

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凸点金属化是为了将半导体中P-N结的性能引出,其中热压倒装芯片连接最合适的凸点材料是金,凸点可以通过传统的电解镀金方法生成,或者采用钉头凸点方法,后者就是引线键合技术中常用的凸点形成工艺。

UBM的沉积方法主要有:

溅射:用溅射的方法一层一层地在硅片上沉积薄膜,然后通过照相平版技术形成UBM图样,然后刻蚀掉不是图样的部分。

蒸镀:利用掩模,通过蒸镀的方法在硅片上一层一层地沉积。这种选择性的沉积用的掩模可用于对应的凸点的形成之中。

化学镀:采用化学镀的方法在Al焊盘上选择性地镀Ni。常常用锌酸盐工艺对Al表面进行处理。无需真空及图样刻蚀设备,低成本。

第二步:芯片凸点

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这部分是形成凸点,可以看做给P-N结做电极,类似于给电池加工一个输出端。

常见的6种形成凸点形成办法:

蒸镀焊料凸点,

电镀焊料凸点,

印刷焊料凸点,

钉头焊料凸点

放球凸点

焊料转移凸点

以典型的电镀焊料凸点来看,其加工示意图如下:


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完成后的凸点在扫描电子显微镜下观察,微观形态是一个体型均匀的金属球。

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下图是凸点形成前后的对比,回流加热前为圆柱体,加热后金属材料融化,形成球形融化电极。

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第三步:将已经凸点的晶片组装到基板/板卡上

在热压连接工艺中,芯片的凸点是通过加热、加压的方法连接到基板的焊盘上。
该工艺要求芯片或者基板上的凸点为金凸点,同时还要有一个可与凸点连接的表面,如金或铝。对于金凸点,一般连接温度在300℃左右,这样才能使材料充分软化,同时促进连接过程中的扩散作用。

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第四步:使用非导电材料填充芯片底部孔隙

填充时,将倒装芯片与基板加热到70至75℃,利用装有填料的L形注射器,沿着芯片的边缘双向注射填料。
由于缝隙的毛细管的虹吸作用,填料被吸入,并向中心流动。
芯片边缘有阻挡物,以防止流出。有的使用基板倾斜的方法以利于流动。填充完毕后,在烘箱中分段升温,达到130 ℃左右的固化温度后,保持3到4小时即可达完全固化。

下面是填胶示意图:

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填胶完成后的芯片和基板稳定的结合在一起,完成后的示意图:

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小结

经过以上的四步工序,完成了芯片与基体的倒装连接,虽然介绍起来并不复杂,但要完整完成这几部工序依然是件系统的工程。倒装芯片结构从上至下依次为蓝宝石衬底、N型半导体层,发光层,P型半导体层和电极,与正装结构相比,该结构中PN结处产生的热量不经过衬底即可直接传导到热沉,因而散热性能良好,芯片发光效率和可靠性较高;倒装结构中,p电极和n电极均处于底面,避免了对出射光的遮挡,芯片出光效率较高;此外,倒装芯片电极之间距离较远,可减小电极金属迁移导致的短路风险。

倒装芯片封装清洗:

合明科技研发的水基清洗剂配合合适的清洗工艺能为芯片封装前提供洁净的界面条件。

水基清洗的工艺和设备配置选择对清洗精密器件尤其重要,一旦选定,就会作为一个长期的使用和运行方式。水基清洗剂必须满足清洗、漂洗、干燥的全工艺流程。

污染物有多种,可归纳为离子型和非离子型两大类。离子型污染物接触到环境中的湿气,通电后发生电化学迁移,形成树枝状结构体,造成低电阻通路,破坏了电路板功能。非离子型污染物可穿透PC B 的绝缘层,在PCB板表层下生长枝晶。除了离子型和非离子型污染物,还有粒状污染物,例如焊料球、焊料槽内的浮点、灰尘、尘埃等,这些污染物会导致焊点质量降低、焊接时焊点拉尖、产生气孔、短路等等多种不良现象。

这么多污染物,到底哪些才是最备受关注的呢?助焊剂或锡膏普遍应用于回流焊和波峰焊工艺中,它们主要由溶剂、润湿剂、树脂、缓蚀剂和活化剂等多种成分,焊后必然存在热改性生成物,这些物质在所有污染物中的占据主导,从产品失效情况来而言,焊后残余物是影响产品质量最主要的影响因素,离子型残留物易引起电迁移使绝缘电阻下降,松香树脂残留物易吸附灰尘或杂质引发接触电阻增大,严重者导致开路失效,因此焊后必须进行严格的清洗,才能保障电路板的质量。

合明科技运用自身原创的产品技术,满足芯片封装工艺制程清洗的高难度技术要求,打破国外厂商在行业中的垄断地位,为芯片封装材料全面国产自主提供强有力的支持。

推荐使用合明科技水基清洗剂产品。

 



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