先進(jìn)封裝之芯片熱壓鍵合技術(shù)(一）及先進(jìn)封裝清洗介紹

合明科技發(fā)布時(shí)間：2023-07-31 ?? 3194 Tags：芯片熱壓鍵合技術(shù)面板級(jí)扇出型封裝先進(jìn)芯片封裝清洗

回顧過去五六十年，先進(jìn)邏輯芯片性能基本按照摩爾定律來提升。提升的主要?jiǎng)恿碜匀龢O管數(shù)量的增加來實(shí)現(xiàn)，而單個(gè)三極管性能的提高對(duì)維護(hù)摩爾定律只是起到輔佐的作用。隨著SOC的尺寸逐步逼近光罩孔極限尺寸(858mm2)以及制程的縮小也變得非常艱難且性價(jià)比遇到挑戰(zhàn), 多芯片封裝技術(shù)來到了舞臺(tái)的中心成為進(jìn)一步提升芯片性能的關(guān)鍵。覆晶鍵合技術(shù)已然成為先進(jìn)多芯片封裝最重要的技術(shù)之一。

盡管某些基于晶圓級(jí)或者面板級(jí)扇出型封裝的工藝流程可以不用到覆晶封裝，但是這個(gè)技術(shù)方向有其自己的應(yīng)用局限性。比如其目前量產(chǎn)重布線層的層數(shù)大多在五層以內(nèi)，使其不太適合服務(wù)器芯片的封裝。如今最常見的基于焊球的覆晶鍵合封裝技術(shù)一共有三種：回流焊（mass reflow）, 熱壓鍵合（Thermo Compression Bonding or TCB）和激光輔助鍵合（Laser Assisted Bonding, or LAB）。基于銅銅直接鍵合的覆晶封裝不在這個(gè)文章的討論重點(diǎn)，我們會(huì)在后續(xù)的文章中討論目前最具希望能進(jìn)一步縮小的bump間距（bump pitch scaling down）的方法，比如混合鍵合（Hybrid bonding）和銅銅直接熱壓鍵合等等。

熱壓鍵合工藝的基本原理與傳統(tǒng)擴(kuò)散焊工藝相同，即上下芯片的Cu 凸點(diǎn)對(duì)中后直接接觸，其實(shí)現(xiàn)原子擴(kuò)散鍵合的主要影響參數(shù)是溫度、壓力、時(shí)間. 由于電鍍后的Cu 凸點(diǎn)表面粗糙并存在一定的高度差，所以鍵合前需要對(duì)其表面進(jìn)行平坦化處理，如化學(xué)機(jī)械拋光(chemical mechanical polishing,CMP)，使得鍵合時(shí)Cu 表面能夠充分接觸. 基于目前研究文獻(xiàn)，通過熱壓鍵合工藝實(shí)現(xiàn)Cu-Cu 低溫鍵合的方法從機(jī)理上可分為兩類，即提高Cu 原子擴(kuò)散速率和防止/減少待鍵合Cu 表面的氧化.

表一在high level總結(jié)了這三種基于焊球的覆晶鍵合封裝技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。可以看到?jīng)]有一種鍵合方式是完美的。對(duì)于某個(gè)產(chǎn)品來說，任務(wù)是要找到最合適的鍵合方法。作為本文的重點(diǎn)，熱壓鍵合最大的優(yōu)勢(shì)是對(duì)die和基板（可以是substrate, another die or wafer or panel）的更為精準(zhǔn)的控制。

表一：基于焊球的覆晶鍵合技術(shù)

接下來我們著重討論一下高端的邏輯芯片的鍵合方式為什么逐步從回流焊鍵合過渡到熱壓鍵合。圖一（a）給出了一種常見的回流焊芯片鍵合流程。先將芯片上的bumps沾上助焊劑（flux）或者在基板上的C4 (controlled-collapse chip connection)區(qū)域噴上定量的助焊劑。然后用貼片設(shè)備將芯片相對(duì)比較精準(zhǔn)地放到基板上。然后將芯片(die)和基板整體放到一個(gè)回流焊爐子里。常見的回流焊的溫度控制由圖一（b）給出。整個(gè)回流焊的時(shí)間通常在5到10分鐘。雖然時(shí)間很長(zhǎng)，但因?yàn)檫@是批量處理，一個(gè)回流焊爐同時(shí)可以容納非常大量的加工產(chǎn)品。所以整體的吞吐量還是非常高的，通常可以達(dá)到每小時(shí)幾千顆芯片的產(chǎn)量，或者更高。

先進(jìn)芯片封裝清洗：

合明科技研發(fā)的水基清洗劑配合合適的清洗工藝能為芯片封裝前提供潔凈的界面條件。

水基清洗的工藝和設(shè)備配置選擇對(duì)清洗精密器件尤其重要，一旦選定，就會(huì)作為一個(gè)長(zhǎng)期的使用和運(yùn)行方式。水基清洗劑必須滿足清洗、漂洗、干燥的全工藝流程。

污染物有多種，可歸納為離子型和非離子型兩大類。離子型污染物接觸到環(huán)境中的濕氣，通電后發(fā)生電化學(xué)遷移，形成樹枝狀結(jié)構(gòu)體，造成低電阻通路，破壞了電路板功能。非離子型污染物可穿透PC B 的絕緣層，在PCB板表層下生長(zhǎng)枝晶。除了離子型和非離子型污染物，還有粒狀污染物，例如焊料球、焊料槽內(nèi)的浮點(diǎn)、灰塵、塵埃等，這些污染物會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)質(zhì)量降低、焊接時(shí)焊點(diǎn)拉尖、產(chǎn)生氣孔、短路等等多種不良現(xiàn)象。

這么多污染物，到底哪些才是最備受關(guān)注的呢？助焊劑或錫膏普遍應(yīng)用于回流焊和波峰焊工藝中，它們主要由溶劑、潤(rùn)濕劑、樹脂、緩蝕劑和活化劑等多種成分，焊后必然存在熱改性生成物，這些物質(zhì)在所有污染物中的占據(jù)主導(dǎo)，從產(chǎn)品失效情況來而言，焊后殘余物是影響產(chǎn)品質(zhì)量最主要的影響因素，離子型殘留物易引起電遷移使絕緣電阻下降，松香樹脂殘留物易吸附灰塵或雜質(zhì)引發(fā)接觸電阻增大，嚴(yán)重者導(dǎo)致開路失效，因此焊后必須進(jìn)行嚴(yán)格的清洗，才能保障電路板的質(zhì)量。

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