原创 第四章 无焊料凸点实现芯片（或圆片）级的互联

第四章 无焊料凸点实现芯片（或圆片）级的互联

1、简介：本章将要讨论的是无焊料芯片级互连，例如不带电的Ni-P浸金凸点焊料、电镀金凸点、电镀铜凸点、电镀铜线、金线的键合（微弹簧）、连线压焊的金钮栓凸点、连线压焊的铜钮栓凸点等；

2、适于使用无电镀镍-金、电镀金和电镀铜凸点的硅片，硅片表面的二氧化硅层上有一层刻好图形的铝层，由氮化硅作为其钝化层；

3、不带电的镍-磷浸金凸点，使用不带电的Ni-Au的UBM有如下优点：成本比较低、与共熔焊料工艺兼容、具有较高的焊料抗潮性、表面贴装应用中Al-Ni黏性好、Ni-Sn金属互化物的生长有利于保证焊料连接热疲劳寿命；不带电的Ni-Au凸点的优点是成本较低并适合于作为导电粘连材料；
a.材料和工艺流程：PICOPARK公司在1995年提出以下工艺：
■硅片的目测；
■用划过的芯片作为样品来寻找最佳工艺条件；
■应用标准的光刻工艺来用光刻胶覆盖墨水点、在划片槽中不需要的窗口等；
■在硅片的背面覆盖光刻胶；
■用等离子清洁暴露的表面（在非常低的温度下小于5MIN）；
■第一次锌酸盐（室温下2min），浸在去离子水中；
■锌剥离（室温下1min），浸在去离子水中；
■第二次锌酸盐（室温下2min），浸在去离子水中；
■镀镍（低于100℃下1h），浸在去离子水中；
■硅片的目测；
■凸点高度的测量；
■浸在金中（低于100℃下15MIN），浸在去离子水中；
■在热的酸液中（100℃），移去光刻胶；
■硅片的目测；
■凸点剪切测试；
■凸点湿度测试（对于各向异性导电薄膜应用时则不需要这步）；
■记录、存档和成品运输
b.钝化层断裂：应力由镀镍过程中滋生出来，由于钝化层的几何尺寸，而主要集中于钝化层的角落，从而应力裂缝也发生在这个地方；

4、电镀金凸点：自由金凸点有Triggers和Byrns等人在1971年发明以来，在很多方面都得到了应用，尤其在带状自动键合工艺中。整个金凸点分为两个区域：金凸点的主体部分和与铝形成金属化的薄膜部分（UBM），对于金凸点有很多种UBM，对于这个UBM薄层结构包含了三层：（1）几百个埃厚的Ti或Cr，作为粘附层；（2）大约1万个埃厚的Cu、Pd、W或Pt层作为扩散势垒层；（3）顶层，一般是Au，厚度大约有几千个埃；
a.材料和工艺流程：
基本工艺如下： 钝化—溅射Ti/W—涂覆光刻胶—刻出凸点的图形—电镀金—移去光刻胶—移去不需要部分的Ti/W层；
b.凸点的规格和测量方法；

5、电镀铜凸点：由于金比较昂贵，而铜的成本比较低，所以铜材料被当作金材料的替代品。
a.材料和工艺流程：铜材料的硅片凸点工艺与金的非常相像，所不同的是UBM层中Ti和Cu的厚度；
b.需特别注意的方面：一般地说，用铜制备的凸点要比金便宜，然而用铜材料时，带来了键合时的困难，而且表面需要保护层，这样又带来了额外的工艺步骤，这些不利之处限制了铜材料的广泛应用；

6、电镀铜连线：由FCPT在1994年发明的连线内连技术（WIT），为集成电路设计者提供了其他芯片级连接方法所不具备的新机遇；
a.结构：WIT由直径10um、长度 50um的金属（铜）线组成，铜线的自由端可以用无铅焊料或导电胶与直径为25um的铜焊盘相连，焊盘之间距离可小至50um；
b.材料制备及工艺流程；

7、连线压焊的微弹簧：由FormFactor公司发展的微弹簧式另一种芯片级互连的形式，由于微弹簧呈特殊的S形，它的柔性比WIT更好；
a.材料及其制备过程：微弹簧接触由镀镍的金线合金做成，在硅片表面用引线键合机形成S形，FORMFACTOR公司称这种技术为“硅片微弹簧技术”（MOST），对于这种特殊的微弹簧接触可以通过常规的引线键合工具来实现；
b.需特殊考虑的方面：由于微弹簧接触具有较好的柔性，所以它与在PCB板上或有机衬底上进行焊料凸点倒装的WLCSP封装不同，微弹簧连接时不需要填料，同时由于使用了太多金，焊料连接时的延展性等方面的性能有所下降；

8、连线压焊的金钮栓凸点：金钮栓凸点键合技术（SBB）是在20世纪90年代早期由日本的一些公司，如Fujitsu、Matsushita等发展起来的，目前在日本和欧盟得到了应用，在键合时，使用了一种粘接剂，通过电学或机械方法，或两种方法同时采用将带有金钮栓凸点的芯片与PCB板或衬底黏合；
a.材料及其制备过程：
■与常规引线键合一致，金线通过热压缩或超声波或两者结合的方式焊接到芯片焊盘上来；
■通过毛细管道的移动形成环状通道，并且在金球的顶部将引线夹断；
b.设备：目前至少有Panasert和Kulicke&Soffa公司可以提供SBB用的全自动化仪器；

9、连线压焊的铜钮栓凸点：为了焊料使用中具有自对准的优点，提出了铜钮栓凸点，另外由于人们对铜导电焊盘的兴趣越来越大，在未来铜钮栓凸点将会得到普遍的应用；
a.材料及其制备过程：Furukawa公司的铜导线直径为25um，由99.99%纯铜制成，为了防止由于氧化二出现铜凸点，铜导线在含有5%氢气的氮气气氛下软化，形成一个直径为65um的球，前面所说的气体以1L/min的速率吹在铜导线的末端；
b.剪切力：铜钮栓凸点和金钮栓凸点的剪切力对比可以看到铜略高于金，然而对这两种钮栓凸点来说，断裂表面是不同的，对于金钮栓凸点，断裂表面在体材料凸点上，而对于铜钮栓凸点，断裂表面位于钮栓凸点和芯片焊盘的界面处，造成之一差别的原因可能是两种材料的硬度不同，金要比铜软得多。