轉自【環球 SMT 與封裝】特約稿

吳懿平博士

華中科技大學 連接與電子封裝中心 教授/博導

廣州先藝電子科技有限公司 技術總監

【摘要】人類已經進入到超越摩爾定律（More than Moore Law）時代（后摩爾時代）。我們不再一味關注芯片本身的性能與功耗，而是從電子產品角度出發，在不改變半導體制程節點工藝的情況下，借助先進封裝技術，將異質芯片通過并排或垂直堆疊的方式 集成至同一封裝體內。由于芯片沿高度方向進行堆疊能夠大幅減小封裝尺寸，提高封裝結構的空間利用率，從而實現封裝互連密度的進一步提升。芯片垂直堆疊結構的三維（three dimension, 3D）封裝技術，不僅在封裝尺寸和互連密度方面有顯著優勢，而且3D 封裝還可以縮短芯片之間的互連距離，降低互連電阻和噪聲，最終降低了芯片功耗、提升了芯片的電性能。3D 封裝技術的高速發展主要依賴于三個重要的技術突破：微凸點（Microbump Bonding）互連技術、晶圓減薄（Wafer Thinning）技術、硅通孔（Through Silicon Vias, TSV）技術。本文就專稿向讀者介紹實現芯片之間互連的關鍵技術——微凸點技術。

【關鍵詞】微凸點、后摩爾時代、銅柱、先進封裝

1 引言

摩爾定律問世至今，晶體管的特征尺寸已經減小至 5 nm，并實現了商用量產。以手機芯片為例，華為手機Mate 40 就搭載了臺積電采用 5nm 工藝代工的 SoC（System on Chip）芯片——麒麟 9000，已經逼近摩爾定律的物理極限。進一步減小柵極光刻寬度，將會產生隧道效應并引發漏電流問題，導致芯片邏輯錯誤，同時還使得芯片的研發與制造成本呈指數上升。超越摩爾定律的束縛，我們不再一味追逐光刻尺寸的進一步縮小，不再關注芯片本身的性能與功耗，而是從電子產品角度出發，在不改變半導體制程工藝節點的情況下，借助先進封裝技術，將異質芯片通過并排或垂直堆疊的方式集成至同一封裝體內。以晶圓級芯片封裝（Wafer Level Chip Scale Packaging, WL CSP)、系統級封裝（System in Package, SiP）和扇出型晶圓級封裝（Fan-out wafer level package, FOWLP）技術為代表的先進封裝技術，不僅能夠進一步提高器件的集成度，而且還能夠大幅縮短產品的研發周期，降低研發成本。通過先進封裝，將芯片沿高度方向進行堆疊，大幅減小了封裝尺寸，提高了封裝結構的空間利用率，進而實現了裝互連密度的進一步提升。芯片垂直堆疊三維（three dimension, 3D）封裝技術，不僅在封裝尺寸和互連密度方面有顯著優勢，而且 3D 封裝還可以縮短芯片之間的互連距離，降低了互連電阻和噪聲，最終降低了芯片功耗、提升了芯片的電性能。3D 封裝技術的高速發展主要依賴于三個重要的技術突破（如圖 1）：微凸點（Microbump Bonding）互連技術、晶圓減薄（Wafer Thinning）技術、硅通孔（Through Silicon Vias, TSV）技術。

與引線鍵合（Wire Bonding）技術相比，面分布凸點陣列的應用大幅提高了封裝結構中的空間利用率，打破了焊盤只能布置在芯片四周的限制，I/O 端子可布滿整個芯片，使得芯片之間的互連密度得到幾何級數增長。

凸點作為封裝結構中的重要一環，提供了堆疊芯片及固定裝配所需的機械支撐，并實現了堆疊芯片之間的電氣互連。在3D 電子封裝結構中為了完成芯片、轉接板和基板之間的垂直互連，會用到以下三種不同尺寸的凸點： 最大尺寸的球柵陣列焊球（Ball-Grid-Array Solder Ball, BGA ball），其直徑范圍通常在 0.25-0.76 mm；中等尺寸的倒裝凸點（Flip-Chip Solder Bump，FC Bump），也被稱為可控塌陷芯片焊點（Controlled Callapse Chip Connection solder joint, C4 solder joint），其直徑范圍通常在 100-150μm；而最小尺寸的微凸點（micro bump），

其直徑可小至 2μm。而微凸點可以通過光刻電鍍的方法在整片晶圓上進行大規模制備，極大地提高了生產效率，從而實現批量封裝成本的下降。為了保證高質量實現芯片之間的互連，針對不同尺寸的凸點需要選擇不同的凸點結構、不同的凸點制備方法和對應的互連方式。以凸點結構為依據，可將微凸點分為以下三類：焊料凸點、銅柱凸點和鍵合銅凸點。本文專稿向讀者介紹先進電子封裝中的一種實現芯片之間互連的關鍵技術——微凸點技術。

2 幾種焊料凸點的制備工藝

對于尺寸較大的 BGA 凸點和倒裝焊凸點，焊料凸點是最為經濟有效的凸點結構。常用的焊料凸點材料有共晶鉛錫合金、熔點為 330-350°C 的高鉛鉛錫合金（95Pb/5Sn 和 97Pb/3Sn）以及無鉛的錫基合金、銦合金等。焊料凸點的制備方法主要有：絲網印刷、蒸鍍、化學鍍和電鍍凸點，釘頭凸點、放球凸點以及焊料轉移凸點等等。其中絲網印刷作為最成熟的凸點制備技術，可良好地控制焊料組分以滿足對焊點的性能要求，并且兼具高效、高可靠性和低成本等優點，適合大尺寸凸點的制備。對于焊料凸點，常用的材料是 Pb/Sn 合金，在回流焊過程中具有自中心作用以及焊料下落等。自中心作用減小了對芯片貼放的精度要求；下落特點減小了共面性差的問題。具體材料有共晶鉛錫合金凸點、熔點為330-350℃ 的高鉛鉛錫合金凸點（95Pb/5Sn 和 97Pb/3Sn）以及無鉛的錫基凸點等。

2.1 蒸鍍焊料凸點工藝

蒸鍍焊料凸點有兩種方法，一種是 C4 技術，整體形成焊料凸點；另一種是 E3 技術，在凸點頂部局部蒸鍍一層錫，以便在倒裝芯片與基板回流焊時局部熔化而焊合。圖 2 為蒸鍍焊料凸點的形成原理示意圖。

2.2 電鍍焊料凸點工藝

電鍍焊料是一個成熟的工藝。采用電鍍焊料凸點，需要先整體形成 UBM 層并用作電鍍的導電層，然后再用光刻膠保護不需要電鍍的地方。一旦電鍍形成了厚的凸點后，再除去光刻膠并刻蝕不需要的 UBM，然后經回流形成凸點陣列。圖 3 為電鍍焊料凸點的形成原理示意圖。

2.3 印刷凸點工藝

焊膏印刷凸點是一種廣泛應用的凸點形成方法。印刷凸點是采用模板直接將焊膏印在要形成凸點的焊盤上，然后經過回流而形成凸點。目前印刷凸點間距可達到 250mm 的細間距。圖 4 示意地表示了焊膏印刷凸點的工藝步驟。可按照不同的使用要求，選用不同的凸點材料，如 95Pb/5Sn、90Pb/10Sn、63Pb/37Sn 以及無鉛焊料等成分。在晶圓的 Al 焊區上形成 UBM 后，就可在其上印刷焊膏然后回流。

2.4 化學鍍凸點

化學鍍凸點是一種利用強還原劑在化學鍍液中將需要鍍的金屬離子還原成該金屬原子沉積在鍍層表面形成凸點的方法。化學鍍除可利用光刻膠做掩模在硅圓片上化學鍍凸點外，還可以直接在已經切割好的芯片上進行化學鍍凸點，適合于小批量制作凸點，工藝靈活方便，而且凸點布局、凸點尺寸以及間距大小不受限制。一般是在化學鍍 UBM 的基礎上，直接進行化學鍍 Ni/Au 凸點或 Au 凸點。

2.5 激光植球技術

激光植球是通過一個送料器將焊球源源不斷地送入植球頭的噴嘴處，用光導纖維將 Nd：YAG 激光束引入噴嘴，在惰性氣體保護下將處于嘴口處的焊球快速加熱到熔點以上，使熔化的焊球與晶片或者基板的焊盤等焊合，形成所要求的凸點或焊球。

如圖 5(a)(b)所示，整個植球頭非常精密、小巧，如同一個噴墨打印機的打印頭，可以通過程序實現對特定陣列圖形排列的凸點或焊球。圖 5(c)顯示的是采用激光植球技術在硅晶片的鍍鎳層(UBM)上形成的兩個共晶焊球凸點的 SEM 照片。

激光植球的質量與精度高于電沉積植球方法，在小批量情況下適用性強，成本低廉，封裝效率高，對器件的損傷小。設備占地面積小，使用方便，靈活，工藝控制簡單，自動化程度高。

2.6 凸點轉移

將凸點用前述的方法在一個中間載體上形成相應的凸點陣列，然后將其轉送到倒裝芯片上去的一種植球技 術。載體一般是與焊料不潤濕的材料，如硅片、熱阻玻璃片等。在中間載體上形成凸點的方法很多，常用蒸鍍 焊料凸點和印刷焊料凸點的方法。采用蒸鍍法或印刷方法在載體上預制凸點，之后再輔以凸點轉移工藝，則整個凸點制備工藝的靈活性將大大提高。對于印刷凸點，首先加工一塊具有一系列不同開口直徑的通用印刷模板，這樣僅使用一塊模板就可以在載體上制出各種不同直徑的備用凸點陣列。然后將預制凸點轉移至涂有助焊劑的芯片焊盤上，經回流后凸點與焊盤焊合，且與載體分離。

可以在載體表面先沉積大約 100nm 厚度的金薄層，以增加焊料與載體的附著力，防止焊料凸點從載體上分離，同時還可增加分離焊料熔化前的潤濕時間，使得它有足夠的時間來潤濕 UBM。

圖 6 示意給出了蒸鍍方法的批量化凸點轉移工藝流程。

以上介紹了各種常用的凸點形成的工藝方法。表 1 對這些工藝方法的特點及使用范圍等進行綜合比較。

3 銅柱凸點

為了避免橋接現象的發生，實現更高 I/O 密度，IBM 公司于 21 世紀初首次提出了銅柱凸點，申請了銅柱凸點結構的相關專利。銅柱凸點的結構如圖 7 所示，用銅柱取代了焊料凸點中的大部分焊料，其頂部鍍有少量焊料。在焊料互連過程中，銅柱凸點能夠保持一定的高度，既可以防止焊料的橋接現象發生，又可以掌控堆疊層芯片的間距高度，可實現 15-80μm 節距的銅凸點焊料互連。

銅柱凸點的高徑比不再受到陣列間距的限制，在相同的凸點間距下，可以提供更大的支撐高度，大大改善了底部填充膠（underfill）的流動性。

由于絲網制作工藝精度的限制，當模版開孔尺寸縮小至 50μm 時，印刷將會變得異常困難，因而絲網印刷并不適用于銅柱凸點的制備。相比而言，借助光刻掩膜技術的電鍍法則具有更高的制備精度，可實現凸點在晶圓上的直接制備，適合銅柱凸點的制備。圖 8 所示，即為一種高共面性銅柱凸點陣列電鍍方法流程圖。

另外，為了減緩焊料與銅之間的界面金屬間化合物（Intermetallic Compounds，IMCs）的生成速率，可在銅柱頂部和焊層之間額外電鍍一層 Ni 作為阻擋層。

根據銅柱凸點的節距不同，銅柱凸點的鍵合方法可以分為回流焊和熱壓鍵合（Thermal Compress Bonding， TCB）兩種方式。對于節距在 50-80μm 的銅柱凸點，可采用回流焊方式完成凸點鍵合。當銅柱凸點尺寸進一步減小時，凸點中有限的焊料體積將導致自對準效應被大幅度削弱，同時較長的回流時間可能使焊料全部轉化為IMCs，對凸點可靠性形成巨大威脅。

采用熱壓鍵合的方式，如圖 9 所示，通過 Bond Head 和 Bond Stage 的結構完成待鍵合芯片之間的高精度對準，并可在鍵合過程中施加一定的壓力以輔助鍵合。加之大幅縮短的鍵合時間，使得熱壓鍵合在高精度鍵合領域表現更為出色。

4 銅-銅凸點鍵合

當凸點尺寸進一步縮小至數微米時，在凸點制備和鍵合過程中，銅柱凸點內僅存的焊料極有可能被全部消耗完畢，形成全 IMCs 凸點，為可靠性埋下了巨大的隱患。因此，業界相應提出了銅-銅凸點鍵合結構的解決方案，以實現更高的互連密度。該方法首先通過光刻電鍍的方式在晶圓上完成銅凸點的直接制備，而后在超真空環境中，采用熱壓鍵合的方式完成銅-銅凸點鍵合。在鍵合過程中，鍵合壓力的施加使銅凸點發生塑性變形，界面兩側的原子相互接觸，隨著鍵合時間的延長，界面原子逐漸完成跨界面擴散，界面處晶格重組的發生 使鍵合界面合二為一，最終實現鍵合互連，形成如 10 所示的凸點結構。該互連結構中沒有金屬間化合物的形成，并具有更為優異的散熱性能、導電性能以及抗電遷移性能。

但是銅-銅凸點鍵合作為一種固相鍵合技術，需要提供較高的溫度（350- 400°C）、較大的壓力以及較長的擴散時間，才能保證凸點的可靠互連。另外，銅凸點表面平整性和表面氧化問題也制約著銅-銅凸點鍵合的實際應用。為了解決上述問題，研究人員提出了表面活化鍵合技術（surface activated bonding）和納米金屬鍵合技術（nano-metal bonding）等解決方案，極具啟發性，但是距離實現工業化應用還具有一定的距離。

5 結語

凸點作為 BGA 封裝、倒裝封裝和先進封裝的最重要技術，不僅提供了高密度平面陣列互連，同時還提供了堆疊芯片及器件封裝所需的機械支撐與電氣互連。在 3D 電子封裝結構中為了完成芯片、轉接板和基板之間的垂直互連，用到了三種不同尺寸的凸點：最大尺寸的球柵陣列焊球，其直徑范圍通常在 0.25-0.76 mm；中等尺寸的倒裝凸點，其直徑范圍通常在 100-150μm；而最小尺寸的微凸點（micro bump），其直徑可小至 2μm。

微凸點可以通過光刻電鍍的方法在整片晶圓上進行大規模制備，極大地提高了生產效率，從而實現批量封裝成本的下降。

銅柱凸點巧妙地結合了銅柱和焊料二者在封裝工藝方面的優勢，在現有封裝技術的水平下，解決了封裝時液態焊料橋接的問題，并大幅改善了鍵合凸點的散熱性能和抗電遷移性能，從而實現更小的凸點節距和更高的互連密度。銅柱凸點在 3D 封裝技術中具有巨大的研究價值和應用潛力，是業界的研究焦點。

微凸點在鍵合及服役過程中涉及到各種復雜的物理、冶金和化學過程，對微凸點的可靠性提出了巨大的挑戰，主要包括化學反應、金屬溶解、化學勢梯度驅動的擴散、電遷移、焦耳熱、熱遷移和應力遷移。因此，在先進電子封裝技術飛速發展的今天，開展高密度鍵合微凸點界面反應行為的基礎研究，對改善 3D 電子封裝結構的可靠性具有重大意義。

（參考文獻略）

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