起着电互连、热传递和机械支撑等重要作用的金属微凸点是基于面积阵列封装的关键。以球栅阵列封装（Ball Grid Array Packaging, BGA）、芯片尺度封装（Chip Scale Packaging, CSP）以及倒装芯片封装（Flip Chip Packaging, FCP）为代表的面积阵列封装形式凭借硅片利用率高、互连路径短、信号传输延时短以及寄生参数小等优点迅速成为当今中高端芯片封装领域的主流。然而，不同应用领域的微凸点具有尺寸跨度大、材料范围广的特点，很难有一种技术能实现全尺寸范围内不同材料金属微凸点的制备。文中综述了当前主流的微凸点制备技术，包括每种技术的优缺点及其适用范围、常见微凸点材料等，最后对当下微凸点制备技术的发展趋势进行了展望。

引言

随着电子信息技术的飞速发展，电子产品不断向微型化、多功能化和高集成化的方向发展。在不断增长的需求推动下，微电子封装技术经历了插孔元件时代、表面贴装时代、面积阵列时代和2.5D/3D封装时代。

自20世纪90年代以来，集成电路进入了超大规模阶段，单颗芯片的引脚数高达上千个。传统的双列直插封装（Dual In-line Packaging, DIP）和方形扁平封装（Quad Flat Packaging, QFP）在不增加整体尺寸的情况下只能不断缩减引脚尺寸及间距，当引脚数超过500时，微小的安装误差就可能导致焊锡桥接和断路。在此背景下，以面积阵列排布输入/输出（Input/Output, I/O）凸点的封装形式—球栅阵列封装（Ball Grid Array Packaging, BGA）、芯片尺度封装（Chip Scale Packaging, CSP）、晶圆级芯片尺度封装（Wafer Level Chip Scale Packaging,WLCSP）以及倒装芯片封装（Flip Chip Packaging, FCP）陆续登上历史舞台，它将有源区面上制有凸点电极的芯片朝下放置，与封装基底/基板布线层直接键合实现冶金连接 [1–2] 。这种基于面积阵列的封装方式不仅提高了硅片的利用率，还具有互连路径短、信号传输延时短、寄生参数小等优点。进入21世纪后，芯片中的晶体管数量仍在急剧上升，传统二维芯片的尺寸不断逼近摩尔定律的极限，因此人们寻求在垂直方向进行芯片集成，于是出现了3D封装，又叫叠层芯片封装。

不论是对于当下的面积阵列封装还是未来的3D封装，以金属微凸点作为电互连和机械支撑非常普遍并将延续很长时间。然而，不同封装层级间微凸点的尺寸跨度大、材料范围广，很难有一种技术能覆盖全尺寸范围内微凸点的制备，微凸点的制备工艺将决定该技术未来几十年的发展。

1 金属微凸点制备工艺

微凸点阵列的制备方法主要有2类：一类是通过专用设备将预成型精密焊球放置在基板上特定位置来形成凸点阵列，典型工艺有植球法；另一类是凸点阵列直接制备法，主要有钉头凸点法、丝网印刷法、蒸镀法、电镀法（化学镀法）、可控塌陷芯片连接新工艺（Controlled Collapse Chip Connection New Process,C4NP）以及喷射法。如图1所示，凸点工艺主要包括凸点下金属层（Under Bump Metallization, UBM）的制备以及凸点的制备，涵盖了不同微凸点的制备方法。

1.1 植球法

有多种植球法，其中一种是将带有微孔阵列的吸盘置于容器上方，通过振动容器使焊球跳动，从而使其吸附于小孔之上（为去除多余焊球，可采用超声振动工艺）；随后通过光学手段来检测吸孔与焊球位置的准确性，紧接着将吸盘与晶圆/基板焊盘对齐，缓慢降低吸盘，使焊球置于焊盘之上，去真空释放焊球，使吸盘与焊球分离；最后对晶圆/基板进行加热回流形成焊锡凸点。其工艺流程如图2所示。该方法简单快捷，生产效率高，可灵活应用。与电镀法相比，其成本较低且无化学污染 [4] ，但也存在以下不足：1）对焊球的一致性要求较高，否则容易出现卡球、丢球或漏球现象；2）对助焊剂及回流温度设定的依赖度较高，助焊剂挥发产生的气流扰动容易使焊球位置偏移，不当的回流温度容易造成凸点连焊；3）较难应用于细节距产品，因为难以涂布助焊剂和拾取极小的焊球；4）不适用于多尺寸焊盘的情况，如果将大小相同的焊球置于不同尺寸的焊盘上，就会降低焊锡凸点高度的共面性 [5] 。

另一种是先利用第一漏印掩膜在基板焊盘上涂刷黏性助焊剂，随后在第二漏印掩膜上均匀散布直径相同的焊球，掩膜通孔与基板焊盘对齐，紧接着采用挤压刷将焊球压入掩膜通孔中，从而使焊球黏附于涂有助焊剂的焊盘上，完成植球后移除第二漏印掩膜，最后加热回流，使焊球熔化形成凸点。其工艺流程见图3。

德国Pactech公司提出的激光植球技术可一步实现植球与回流工艺，其原理如图4所示。在氮气气氛下利用激光束将焊球熔化在焊盘上形成凸点。该方法可用于晶圆或芯片焊盘上焊料凸点的制备，灵活性强 [7] 。由于激光局部加热产生的热影响区小，因此可以避免周围元件的损伤，减少植球过程中金属化合物层的形成，有利于提高焊点质量。激光植球技术可以实现焊球直径为 40 ～ 760 µm的可靠连接[8] ，但文献[9–11]指出，该技术在焊点制备过程中会出现焊球润湿不良、焊球凹陷、局部烧蚀等缺陷，造成焊点可靠性差。

1.2 钉头凸点法

钉头凸点键合技术由Matsushita公司于1997年提出 [13] 。该方法借鉴了引线键合工艺 [14–15] ，在第一焊点完成后劈刀继续向上拉伸，使金丝颈缩断裂形成金凸点，具体工艺（图5）如下：

1）首先利用电火花放电在金丝末端形成金球，金球尺寸可通过设置打火杆的电流、打火杆与线尾的间距以及放电时间来控制；

2）随后在加热、加压和超声的共同作用下，将金球键合到芯片的焊盘上；

3）当第一焊点完成后，劈刀垂直向上运动，此时线夹处于打开状态，送出一段尾丝；

4）线夹关闭，劈刀向上运动，金丝在拉力的作用下断裂形成带有尾尖的凸点；

5）当所有凸点制作完毕后，通过研磨、石英板拍平等工艺去除尾尖，使其成为高度、平整性一致的芯片凸点。

在一般情况下，为了提高倒装焊金凸点与铝焊盘连接的可靠性，通常会预先在铝焊盘上溅射/蒸镀一层UBM，而后再进行钉头凸点制作。

钉头凸点法只适合引脚较少、焊盘节距较大、品种多但数量相对不多的芯片封装，具有简便易行、方便灵活、可在单芯片上制作凸点、成本低廉等优点，但也存在凸点高度一致性较差、效率低等缺点。此外，由于金是贵金属材料，当封装器件的引脚数较多时，其成本要比焊料凸点高。文献[16]尝试使用带有铜凸点的芯片与焊盘印刷有无铅焊料的基板互连，意欲取代成本高昂的金凸点与导电胶键合的传统互连工艺，获得了不错的效果，但由于铜凸点抗氧化、抗腐蚀能力差，目前很少使用。随着键合工艺以及材料技术的提升，铜丝有望取代金丝成为新一代凸点键合材料。

1.3 丝网印刷法

丝网印刷法是通过涂刷器和网板将锡膏涂刷在焊盘上的凸点制备技术，适用于间距为 200 ～ 400 µm的焊盘。其工艺主要包括UBM制备、锡膏丝网印刷、锡膏回流和焊盘清洗等步骤。图6所示是目前应用较广的低成本钎料凸点制备方法，具有效率高、成本低、适用于不同种类钎料合金的优点 [17] 。然而，该方法在节距小于 150 µm的高密度互连中面临较大的挑战。在细节距产品中，印刷后助焊剂容易桥接，这为回流后焊料的桥接埋下了较大隐患。在回流过程中溶剂挥发，空洞数量和凸点高度变化较明显，降低了芯片贴装良率。为提升贴装良率，需采用压印工艺保证所有焊锡凸点的共面性。此外，由于小节距焊盘掩膜的制备成本较高，因此其应用受到了一定的限制 [18] 。

随着掩膜加工技术的提升、纳米材料制备技术的日趋成熟以及印刷工艺的优化，丝网印刷工艺在制备节距小于 100 µm的倒装芯片焊料凸点领域愈发成熟。文献[19]在优化工艺参数的基础上成功实现了在晶圆上制备节距为 90 ～ 100 µm的焊料微凸点。

1.4 蒸镀法

20世纪60年代IBM公司最早提出采用蒸镀法制备凸点，主要应用于大型计算机中的多芯片模块 [17] 。在蒸镀工艺中，先利用光掩膜制作UBM，然后将钎料蒸发到UBM上得到锥形凸点，最后对锥形凸点进行加热回流使之成为半球状，如图7所示。

该方法与集成电路（Integrated Circuit, IC）工艺相兼容，可充分利用现有设备且工艺成熟，但需要制作掩膜，且一种掩膜只能针对一种IC芯片。蒸镀工艺的缺点主要表现在：1）投资高，生产效率却不高，因此该方法仅用于要求凸点材料纯度高、制备的凸点密度高或制备的凸点材料不能使用电镀或印刷工艺等场合；2）由于大部分焊料被蒸发到掩膜和反应腔室的内壁上，因此该工艺的材料利用率极低；3）每次蒸镀结束后，必须对附着在金属掩膜上的焊料予以清除，而清除操作会降低掩膜质量，改变开孔尺寸，从而缩短了掩膜的寿命。UBM的制作通常使用多个蒸发器，这使得焊料成本进一步增大。蒸镀工艺一般可接受的面阵列节距极限是 225 µm，当节距低于 200 µm时，原先采用蒸镀工艺的公司都转向采用电镀工艺 [6] 。

1.5 电镀法

电镀法是微电子封装企业普遍采用且工艺成熟的凸点制作方法 [20] ，常用于晶圆凸点的制备。电镀凸点所需的UBM同样是采用蒸发/溅射的方法，但比UBM厚许多倍的凸点则采用电镀工艺制备。电镀法制备的凸点主要有铜柱凸点和焊料凸点2大类。铜柱凸点一般是在芯片焊盘上电镀一定尺寸的铜柱后，再在铜柱上表面电镀可焊性镀层（SnPb、SnAg、Sn等），以便实现后续的互连或组装，是当前凸点应用的主流方向。铜柱凸点被认为是可以实现窄节距凸点互连的主要材料，其特点是高度一致性好，可靠性高，节距可低至 20 µm甚至更低。焊料凸点则是直接在芯片上电镀焊料层，经回流后形成焊料凸点。图8为电镀低温钎料凸点的制作工艺流程图。

电镀工艺具有重复性好、一致性高的优点，同时制备工艺与IC、微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System, MEMS）工艺相兼容，可用于批量生产各类规格芯片及不同材料、不同高度的凸点，但由于资金和运营成本高，电镀技术在小型设施中的使用受到了一定的限制。此外，三元合金（如SnAgCu）很难以一致的结果进行电镀 [18, 21] 。

1.6 C4NP法

C4NP法是IBM公司研发的低成本细节距焊锡凸点制作技术，克服了现有技术的局限性，可采用多种无铅焊料合金 [22] 。它是一种焊料转移技术，需将熔融焊料注入预制的可重复使用的玻璃模具中，主要包括5个环节：模具制造、焊料填充、模具与晶圆对准、焊料转印与脱模以及加热回流。其中，模具制造是该工艺的关键，它包含了晶圆凸点图形的刻蚀空腔，考虑到焊料在硼硅玻璃表面的非浸润性，通常采用硼硅玻璃制作。图9为模具制造及焊料填充工艺流程图。

将焊料转移至晶圆之前，需对已填充的模具进行检查以确保较高的良率。然后在回流温度下将填充好的模具软接触贴近晶圆，所有的焊料凸点将一次性全部转移至晶圆上。该过程并无与液体流动相关的复杂问题，其工艺流程如图10所示。

2008年IBM公司以甲酸蒸汽作为助焊剂，利用C4NP技术在直径为 28 µm的UBM焊盘上成功实现了直径约为 50 µm的SnAg无铅焊料微凸点的制备 [23] ，如图11所示。初步结果显示：C4NP技术能轻易实现直径在 50 µm以下的微凸点的制备，以满足I/O密度不断攀升的需求。

1.7 喷射法

喷射法能实现熔融焊料的高精度、超微细控制，广泛应用于电子封装领域球栅阵列锡球的直接喷射制备、喷射印刷电路、直接金属快速成型、电互连接头以及液滴铅焊等 [24–26] 。喷射法按原理可分为连续式喷射和按需式喷射。连续式喷射通过离散层流射流来实现均匀液滴的制备，喷射的微滴具有频率高、飞行速度快等优点，但不易对单颗微滴的飞行过程和沉积位置进行控制，故不适用于直接植球，多用于造粒 [27–28] 。按需喷射因其能精确控制液滴的体积和沉积位置，故可用于直接植球[29] 。

喷射法按驱动方式分主要有压电驱动式、热泡式、气动式、应力波驱动式、超声振动式和电磁力驱动式 [30] 。其中，压电驱动式是目前应用最广且商用最成功的微液滴制备方式，但因压电材料难以耐高温，需要设计较复杂的冷却系统和隔热装置；气动式中的气动膜片式解决了喷射阀不耐高温且可喷射材料熔点受限等问题，但存在频率较低、噪声较大的弊端 [31–32] ；应力波驱动式能获得比喷嘴直径更小的液滴，液滴直径约为喷嘴直径的0.6倍，可大大降低喷嘴的加工难度与成本 [33] ，但存在喷射微滴定位精度差且伴有噪声的缺点；电磁力驱动式被认为是极具潜力的驱动方式，最早应用于微泵中导电流体的驱动 [34] ，具有结构简单、响应快、不依赖外部气源等优点，但喷射材料必须为导体，且在喷射较高熔点材料时，需做好阀体与永磁铁的隔热，因较高的温度会导致永磁铁退磁。

采用喷射法在芯片/基板焊盘表面直接植球具有效率高、成本低、工艺简单的优势 [35–36] 。因此，利用微喷技术制造精密焊点成为面积阵列封装领域的研究热点[37–38] 。然而，因存在工艺控制困难、一致性较差的不足，喷射法难以实现商业化应用 [39] 。喷射法一般采用按需喷射模式来实现熔融态低熔点焊料的沉积，文献[40–44]也实现了铝合金、铜等高熔点金属的喷射打印。其最大特点是非接触且无需掩膜，可通过调节气压、脉冲波形、脉宽、喷嘴尺寸等参数轻易控制液滴尺寸。此外，熔融态焊料喷射沉积于芯片/基板焊盘后与UBM直接键合，无需对整个芯片/基板进行较高温度的加热回流，有效保护了温度敏感型电子元器件及内部集成电路。文献[45–46]表明：焊料的多次回流将严重影响焊点的力学性能，而采用丝网印刷、电镀等工艺制备金属微凸点时，回流次数在20次以上 [6] ，这是喷射法的独特优势之一。

2 金属微凸点常见材料

目前通用的凸点按照材料成分来分主要有以铜柱凸点、金凸点、镍凸点、铟凸点等为代表的单质金属凸点、以锡基为代表的焊料凸点、聚合物凸点等。

1）金凸点、铜柱凸点常用于小节距的高端芯片领域，具有电导率高、抗电迁移特性好的优点，通常采用电镀或钉头凸点方式制备。

2）镍凸点和铟凸点通常用于特殊场合。镍凸点常用化学镀方式制备，铟凸点常用电镀或蒸发薄膜的方式制备。

3）焊料凸点一般以锡基焊料为主，多为二元或三元及以上多元合金，其加工过程比锡铅焊料复杂，且熔点普遍较高。表1为可能取代锡铅焊料的无铅焊料。

4）聚合物凸点一般由导电聚合物制备，主要用于柔性器件封装领域。其互连工艺温度远低于焊料凸点的工艺温度，通常在 140◦ C～ 170◦ C范围内。聚合物凸点具有高度一致性好、可靠性高的优点，其设备和工艺也相对简单，但它缺乏焊料凸点的自对中性能，位置容差较小，键合前必须进行高精度对准。

基于成本考虑，当节距较大（? 100 µm）时，焊料凸点仍然是基于面积阵列凸点制备的首选，而采用电镀法制备的铜柱凸点将是高密度、窄节距微器件封装领域当下和未来很长一段时间的主流。这是因为随着封装密度的提高，器件的热流密度不断增大 [47] ，对无铅焊料微凸点互连器件的可靠性构成了严峻的挑战。目前，最先进的铜柱凸点节距低至 40 µm，凸点尺寸约为 20 ～25 µm，相邻凸点间距为 15 µm [48] 。

3 结束语

虽然目前基于无铅焊料微凸点的制备技术比较成熟，但随着芯片特征尺寸的不断减小以及片上系统（System on Chip, SoC）、多芯片集成等技术的发展，I/O互连数量势必激增，这将进一步压缩微凸点的尺寸和节距。然而，当无铅焊料微凸点的尺寸和节距小于一定值时，将出现一系列可靠性问题，如界面反应、热疲劳可靠性、跌落冲击可靠性、电迁移可靠性等。因此，在不久的将来细节距铜柱凸点将逐渐取代无铅焊料凸点成为主流的封装材料。此外，由于芯片三维堆叠封装具有小尺寸、低功耗、低延迟和高带宽等优点，能显著提升集成电路的系统性能。因此，3D集成技术将成为评估晶圆封装企业是否具备核心竞争力的筹码，而与之对应的高密度硅通孔（Through Silicon Via,TSV）互连技术将备受关注。

3D 芯片封装晶圆植球装备关键技术研究

刘劲松 郭 俭

(上海理工大学 上海微松工业自动化有限公司)

摘要:

为了应对半导体芯片高密度、高性能与小体积、小尺寸之间日益严峻的挑战，3D 芯片封装技术应运而生。从工艺和装备两个角度诠释了 3D 封装技术;介绍了国内外 3D 封装技术的研究现状和国内市场对 3D 高端封装制造设备植球机的需求。介绍了晶圆植球这一 3D 封装技术的工艺路线和关键技术，以及研制的这一装备的技术创新点。以晶圆植球机 X － Y － θ 植球平台为例，分析了选型的技术参数。封装技术的研究和植球机的研发，为我国高端芯片封装制造业的同行提供了从技术理论到实践应用的参考。

0 引言

3D 芯片封装技术在组装密度、信号传输速度、电性能及可靠性方面的独特优势，目前已成为能最大限度地提高芯片集成度和提高高速单片 IC 性能，制作高速电子系统，实现终端产品小型化、多功能化、高可靠性和高性能的最有效途径。3D 封装的主要优势为:具有最小的尺寸和质量，将不同种类的技术集成到单个封装中，用短的垂直互连代替长的 2D互连，降低寄生效应和功耗等。

国际上公认最具商业价值的芯片就是 BGA/WLP(Ball Grid Array/Wafer Level Package)等 3D 封装形式的处理器产品，美国 TI 为全球最大生产商。3D 芯片封装最主要的设备及工艺就是植球设备和工艺，目前该项技术和设备均被国外公司所垄断，其进口设备售价昂贵、售后技术支持效果不佳，严重影响了我国芯片厂的产品换代升级进程。掌握这项技术并研发出晶圆级植球机具有重大战略意义，将推动我国3D 芯片封装技术的发展。这一国内设备及工艺技术的诞生将改变国产芯片厂为外资品牌低端来料加工的历史，可以生产中国自主品牌的芯片。

1 国内外产业技术现状分析

高密度 3D 芯片封装技术是国内外近几年飞速发展的微电子封装技术。叠层型 3D 封装是应用最广泛的一种，各层互连可以是线焊、倒装焊、硅通孔或是这三种方式的混合。不管是哪种具体的实现形式，3D 封装有几个共性的难点:凸点制作、通孔制作、芯片减薄和划片、散热及电路性能等。目前，3D层叠中的微焊点主要使用超细间距和高密度凸点阵列实现。晶圆上形成凸点有三种形式:电镀方式、印刷锡膏固化方式和植球方式。电镀方式具有造价贵、制造周期长、环境污染、工艺复杂和参数不稳定等缺点;印刷锡膏方式不容易控制凸点高度，很难制作小于 200 μm 的凸点。植球方式工艺稳定。目前，材料厂商可以提供质量稳定的 60 ～ 250 μm 的锡球用于量产。2002 年从 Intel 公司首倡推广使用晶圆植球技术开始，正逐渐被大多数客户所接受，这种方式的成本也随焊球和设备价格的下降而迅速下降，更具性价比优势。层叠后的芯片与 PCB 等载体相连时，又广泛运用到 BGA 基板植球技术。

晶圆级微球植球机及周边的微芯片检测提取设备和 BGA 基板植球机设备的技术和专利近乎全部掌握在国外厂商手中，技术标准由国外公司制定;国内企业研发工作面临国外厂商的技术封锁。针对该类设备的相关专利保护，具体进行了深入的研究工作，研发了新的实现方式，设计新型的结构，申请专利保护我们的知识产权，并且已经有几款发明专利获得受理和授权。

2 我国市场需求分析

早在 20 世纪 60 年代，美国和日本就开始研究BGA 植球技术，并在 20 世纪 90 年代末开始出现BGA 封装规模化生产。晶圆级微球植球机的技术源自基板植球机。我国内资企业在 2008 年左右引入首套 BGA 基板植球机，2010 年就开始了晶圆植球机的采购。

晶圆级微球植球机和 BGA 基板植球机是高端IC 封装设备的关键设备之一，可以和前后设备组成完整的 3D 芯片封装生产线。随着网络通信领域技术的迅猛发展，数字电视、信息家电和 3G/4G 手机等产品大量需要高端 IC 电路产品，进而对高引脚数的 MCM、BGA、CSP、SiP、PiP、PoP 等 3D 芯片封装中高端产品的需求十分旺盛。

保守估计，2013 年全球半导体设备市场较 2012年将萎缩 6% 左右;然而我国半导体专用设备市场将继续增长，预计达到 40 亿美元规模。封装测试设备占国内半导体专用设备市场在 40%以上，超过 16亿美元。其中约 10%为 3D 芯片封装植球设备这样的高密度高端 IC 封装设备，而且逐年迅猛增长。晶圆植球机全球 2013 年销售预期将达到 20 条线并将保持年均 25% 以上的增长。中国大陆封装厂刚开始采用此类技术，设备需求持续强劲增长，预计中国大陆市场将保持 30%以上的年均增长，具有良好的市场前景。

3 装备设计目标及技术工艺路线

装备设计目标是研究晶圆植球技术及设备并实现产业化，具体研制用于 3D 芯片封装的晶圆级微球植球设备的系统结构与功能，设计出简洁而可靠的能够实现稳定、高良率植球的机构，完成具有自主知识产权和多项专利技术的晶圆级微球植球机和并产业化，打破国外技术封锁。设备技术指标达到世界同期水平，并提供给国内大型封测骨干企业进行验证生产。

晶圆级微球植球机主要产品技术指标如下。硅片尺寸:6/8/12 inch;最小端子间距:200 μm;锡球直径:Ф100 μm ～ Ф500 μm;UPH:20;印刷和植球对位精度: ±30 μm;植球成功率:99． 995%。

以上主要技术性能指标为国际同期水平，上海微松公司针对该类设备的技术研发已经获得多项授权专利，拥有发明专利的晶圆级微球植球用弹性体压入装置、微球自动收集及供球循环设备、BGA 基板植球用焊球定位自动供给机构等技术，克服了一些国外设备具有的缺点和不足，具有更高的性价比。

晶圆级微球植球机工艺和技术路线如下。

(1)将晶圆盒放置到上料位后，机械手自动抓取晶圆进行预对准后放置到工作台上;

(2)助焊剂和焊球的上料;

(3)图像处理系统对晶圆和网板进行认识和处理，计算晶圆与印刷网板/植球网板的对位信息;

(4)根据视觉认识的处理结果把晶圆和印刷网板对位，执行助焊剂印刷;

(5)自动清洗机构对印刷网板进行清洗;

(6)根据视觉认识的处理结果把晶圆和植球网板对位，执行植球;

(7)自动清洗机构对植球网板进行清洗;

(8)机械手自动将晶圆从工作台上抓取，放回晶圆盒中。具体流程如图 2 所示。

4 关键技术分析

3D 芯片封装植球装备技术的研发解决了国内产业急需的关键技术，形成了如下创新点。

4． 1 超精密丝网印刷技术

晶圆级植球工艺中，丝网印刷用网板是微米级的薄板，晶圆和刮刀与网板的接触都会造成印刷网板的弹性变形。需要对这种变形加以控制、寻找合适的工艺参数并最终实现精确的助焊剂印刷量控制并实现微米级的印刷精度，如图 3 所示。

4． 2 自动网板清洁技术

需要设计全自动的清洁纸传送和清洁液供给系统，实现对印刷网板和植球网板的自动清洗，以保证最终的植球质量，如图 4 所示。

4． 3 晶圆级微球搭载技术

通过研究球径、晶圆尺寸和压力的关系曲线，研究测量反馈系统的误差校正算法，设计实现 Z 轴压力的精确控制以实现良好的植球效果。研究焊球流量与植球效果的匹配关系，设计实现焊球的自动供球、回收和循环系统。原理示意图，如图 5 所示。

4． 4 生产管理系统软件

一个大系统在运行过程中，需要为操作人员提供各种数据和参数，也需要为生产中的各项指标提供可追溯和分析数据库;因此生产管理系统软件也是核心技术。

4． 5 精密定位系统与算法

0． 1 μm 的分辨率，1 μm 的绝对定位精度，2 m的有效行程，定位技术的成熟与否决定了系统的可靠性。本装备的 X － Y － θ 植球平台是整个系统的基础，下面将用一个章节分析其特点与选型。最多 50 轴(电机)同时控制，在控制各种电机(直线，伺服，步进)的同时，采集传感器过来的 I/O 信号。运动控制算法也是系统研发的核心技术。

5 X － Y － θ 植球平台的选型

X － Y － θ 三自由度植球平台是晶圆级微球植球机核心工作单元，主要由直线电机、DD(直接驱动)电机、内外圈同步带起升机构、网板支撑平台和精密支撑治具组成，可分别对 6 英寸、8 英寸和 12 英寸晶圆进行高精度定位，完成印刷和植球动作，结构如图 6 所示。其对应的搭载建模技术是晶圆植球机的关键技术。下面详细分析 X － Y － θ 植球平台搭载建模过程以及重复定位与绝对定位误差计算。

精密支撑治具上等径阵列出若干小孔，真空吸住晶圆，由θ 向 DD 电机驱动，其技术参数如下。

负载和 θ 向 DD 电机由直线电机驱动，其工作模式如图 7 所示;误差分析示意图如图 8 所示。

根据设定的工作模式计算出有效行程 L s1 和 L s2与峰值载荷 F b1 和 F b2 ，分别选用合适的 Y 向和 X 向直线电机。

X － Y － θ 植球平台联动时，每一向都存在着重复定位误差和绝对定位误差，重复定位误差可以由程序原点复归解决，而绝对定位误差很难消除，X向、Y 向和 θ 向绝对定位误差的累积将导致植球机植球失败。理论上 X 向进给 x 0 mm，Y 向进给 y 0 mm，θ 向旋转 θ 0 °，距离晶圆中心 Q'点的 r 0 处某一植球点坐标为 P(x 0 ，y 0 ，z 0 )。而实际上，X 向和 Y 向进给动作完成后，晶圆中心 Q'点可能是 C'点，这是由于X 向和 Y 向绝对定位误差的累积造成的。其实，晶圆中心是 C'点只是其中一种可能，X 向和 Y 向联动的绝对定位误差是整个矩形 ABCD，那么晶圆中心可能是其对应的矩形 A'B'C'D'内任意一点(包括边界)，图中未作出。θ向旋转动作后，理想状态下，植球点 P 只偏移到了 P 1 点，事实上，由于θ 向也存在着绝对定位误差，这将导致 P 1 点偏移到圆弧P 2 P)3 上任意一点。以极限位置 P 2 ，讨论X － Y － θ 植球平台联动累积绝对定位误差δ。设P 2 (x 2 ，y 2 ，z 2 )，旋转矩阵为 Ｒ，平移矩阵为 T，植球允许误差[ ] δ ，锡球直径 d，则

6 结论与展望

通过详细阐述 3D 芯片封装植球装备技术的总体工艺流程和技术要求，特别是对晶圆植球机和BGA 基板植球机的原理和技术规格的重点介绍，希望对我国自主发展高端芯片封装业具有指导意义。从工艺和装备角度为国内同行贡献了详细严谨的专业知识。

(1)3D 芯片植球是高端 WLP/BGA 封装必备的装备，此项技术是解决我国高端芯片不能自给局面的必要手段。

(2)上海微松公司联合上海理工大学已经掌握了该项技术，培养了一批开发设计人才，随着 8/12英寸晶圆级及 BGA 基板级的商品机的持续开发，我国在此领域的自主创新将进入深水区。

(3)我国封装设备市场巨大，关键技术却控制在外国企业的手中，突破封锁，发展民族产业是我们的重任。

欢迎国内的其他机构研发人员与我们协同合作，共创中国高端芯片制造装备的春天。

微电子封装用主流键合铜丝半导体封装技术

雒继军

（佛山市蓝箭电子股份有限公司）

摘要：

微电子工业对于产品可靠性和材料成本的需求促使键合铜丝取代金丝成为半导体封装时应用的主流材料，在设备和技术工艺优化发展的前提下，键合铜丝技术由DIP等低端产品推广至QFN、小间距焊盘等高端产品领域，这也提升了半导体封装企业对铜丝性能和键合工艺的要求。本文对键合铜丝的性能优势与主要应用问题进行了论述，结合应用现状从使用微量元素、涂抹绝缘材料、优化超声工艺、改进火花放电工艺等几个方面提出了改善主流键合铜丝半导体封装技术应用效果的具体措施，以为相关生产单位提供参考指引。

0 引言

半导体封装技术的主要工序为晶圆划片切割、芯片贴装、引线键合以及后面的塑封、成型、测试等。其中，引线键合主要利用金、铝、铜、锡等金属导线建立引线与半导体内部芯片之间的联系，引线键合能够将金属布焊区或微电子封装 I/O 引线等与半导体芯片焊区连接，是半导体封装工艺的重要工序环节，其施工质量对于半导体功能应用的发挥具有较大影响。相对于金丝而言，键合铜丝具有更低的生产成本和良好的导电性能，使其在半导体封装以及集成电路、LED 等众多领域得到推广应用。

1 键合铜丝的应用优势分析

在材料成本方面，金丝是铜丝材料价值的 60~70 倍，随着微电子行业的发展，半导体封装时的封装密度持续提升且键合线直径持续降低，100 个引出端、3mm 键合金丝长度的高级封装通常需耗费约 0.8 美元的封装成本，线焊成为影响成本的重要因素，相关对比结果详见表 1。在 MRP、OP2、EFP 等众多工艺的作用下，铜丝坚实展现出更低成本的同时也凸显出更加稳定、牢固的性能，这为键合铜丝的推广应用奠定了基础。

在电学性能方面，铜丝的电导率约为金丝的 1.33 倍，能够在高密度半导体封装器件中以更低的直径尺寸承载更多电流，满足半导体期间的运行需求。在热学性能方面，铜丝具有比金、铝等材料更高的热传导系数，而且在热膨胀性能方面铜的热膨胀系数更低，在高密度半导体器件中能够具有更良好的散热性能和热稳定性能。在机械性能方面，铜的硬度更高，键合铜丝无论是伸长率还是破断力都优于金丝，不仅对机械应力的抵抗力更强，在规避塌陷问题、提升成弧性和一致性方面更具优势，能够有效提升所封装半导体的性能可靠性。

2 键合铜丝应用期间的主要问题分析

■ 2.1 铜线氧化问题

相对而言，铜丝比金丝更容易氧化，在铜丝表面氧化反应的影响下，铜丝键合期间形成的自由空气小球将产生形状与尺寸的改变，导致操作人员难以有效控制键合力，导致焊盘形变量超出标准范围，影响半导体封装成品率。

■ 2.2 铜丝硬度大，超声能量或键合力难以控制

为解决铜丝硬度大带来的键合难度，半导体封装企业通常选择应用超声工艺或键合压力工艺提升键合效果，这也导致焊接期间需要耗费更多的时间完成键合工作。在键合期间，如果操作人员对超声能力或压力控制不到位，将导致硅衬底在焊盘下方出现弹坑等破损情况，随着作用力的增加，铜丝的第二焊点存在更低的可靠性，良品率相对较低。在键合压力或超声能量的作用下，铜线键合期间更容易出现铝从焊盘挤出的情况，这与键合时间过长有关，为利用更高的键合强度实现对高强度铜丝的键合处理，焊盘将长时间承受超声功率或键合压力影响，最终引发该情况，详见图 1。此外，在热超声焊接过程中，如果操作人员对作用力和能量控制不到位不仅会影响焊接效果，还会导致基板下方氧化层受损，引发电解质泄漏失效等问题。

3 键合铜丝半导体封装优化措施分析

■ 3.1 添加微量元素改善铜丝性能

如前文所述，铜丝的氧化性对于半导体封装成品率具有较大影响，为改善键合铜丝性能，相关生产单位可以利用碱土元素作为脱氧剂，常用的元素主要包括 Sr、Ca、Mg 以及 Be。其中，Mg 能够作为一种强脱氧剂改善铜丝的氧化性能，有效减少铜丝中氧化铁或氧化亚铜的含量，铜镁融合应用生产的键合铜合金能够在焊接高温的影响下维持优异的抗氧化性，有效规避铜球不良问题；Ca 元素的应用能有效改善铜丝材料的抗氧化性、高温塑性、封装性能以及力学性能，Sr 元素的应用则可以通过增强表面致密性与晶界完整性的方式使抗氧原子深入铜丝内部，强化键合铜丝的抗氧化能力，避免在铜丝熔球期间出现不稳定情况。过渡元素的应用也能够有效改善键合铜丝的性能，如提升抗氧化、抗腐蚀性能的 Ru 元素，改善焊接效果和抗氧化性能的 Nb 元素，提升铜丝高温塑性、规避杂质危害、细化晶粒、改善铜丝结晶温度的 Zr 元素，降低铜丝硬度并细化晶粒以改善铜丝键合性能的 Ti 元素，相关生产单位需要结合实际需求选择微量元素添加比例，有效改善键合铜丝性能，增强半导体封装质量。

■ 3.2 使用绝缘涂层改善封装效果

虽然金、银、铂等贵金属材料以及镍、钴、钛等抗腐蚀材料作为涂层能够有效改善键合铜丝的抗氧化、抗腐蚀等性能，考虑到键合铜丝本身直径相对较低，应用金属涂层的成本相对难以接受，因此生产单位可以选择应用种类繁多且价格低廉的绝缘材料作为键合铜丝的涂层改善其键合效果。在相关研究成果中，某专利通过 5~60nm 的有机涂层涂抹于键合铜丝表面，最终形成能够在长期运输存储中维持较强的抗氧化能力，同时也可以在 200℃以上的高温中维持涂层的稳定性；某专利通过聚合物绝缘涂层防止键合铜丝氧化问题，在焊接高温的影响下涂层材料还能够自动分解，避免对铜丝与其他部件的导通行产生影响，有效提升了半导体封装质量。在绝缘涂层应用期间，生产单位需要充分考虑绝缘涂层的耐高温性能，相关研究指出，绝缘涂层虽然在键合期间不易出现分解反应，但容易在铜丝熔球期间出现碳化情况，导致键合铜丝的输送与键合受到影响，而且绝缘涂层还存在结合性差、易剥离等问题，需相关生产单位进行优化改进。

■ 3.3 超声的工艺优化

超声设备是确保铜丝键合工艺顺利开展的关键设备，主要包括聚能器、换能器以及发生器几个部分。其中，换能器是超声设备的核心部件，起到将电能转化为机械能的作用，能够从振幅和轨迹两方面实现对键合工具的调整；聚能器与键合工具则起到放大和传递超声能量的作用，对于系统谐振频率具有直接影响。铜丝键合常用的超声设备通常为双向垂直超声系统，通过将压电陶瓷装设于双向垂直杆部位，控制系统产生两种不同的振动频率并形成两种轨迹，研究发现，方形与圆形的轨迹相对线形轨迹能够展现出更高的焊接强度、焊接变形量和焊接升温效果。

铜丝键合期间的球焊需要同时利用超声、压力以及热能三种能量，弹坑失效模式通常与超声波震动存在关联。相关研究发现，超声键合的效果主要与超声软化以及摩擦有关，对超声工艺的优化也可以从这两点入手。其中，超声软化的具体现象为超声能量作用于铜丝等金属材料并将其硬度与强度降低，Langenecker 研究发现，铜丝晶体中存在的位错优先选择将声能吸收，从钉扎位置开动位错，最终起到强化铜丝塑性，促使铜丝在更低压力的作用下产生变形情况，这种情况下的存在对于改善键合铜丝性能具有积极意义，能够进一步缩短其与金丝材料的差距。在针对键合铜丝的研究中发现，铜丝的热超声键合条件之一是强化基板接触面与铜球之间的摩擦力，由此可以确认摩擦的铜丝键合的关键点之一。铜丝键合期间在基板上的遗留痕迹形状主要为环状，这与弹性接触理论相贴合，证明在压力相同的情况下，超声功率的提升能够缩减圆环内径，使得原有的细微摩擦状态转化为相对滑动状态。为此，在键合工艺优化时，生产单位需要积极探寻超声能量与压力两者的契合点，实现对铜丝键合期间摩擦力的有效改善，持续增强铜丝键合质量，提升半导体封装良品率。

■ 3.4 火花放电的工艺优化

火花放电工艺对于铜球引线键合期间引线球的形成具有重要作用，第二点楔键合完成后，在电弧放电的作用下能够熔化尾线，并在温度梯度、表面张力以及自重的影响下形成铜球。铜丝尾线的长度与第二键合的质量存在关联，下一个第一点键合的质量将受到上一个第二点键合质量的直接影响，第一键合点的尺寸也与引线、熔球两者的直径比存在较大关联，在始终应用铜丝作为键合引线的情况下，熔球直径与火花放电的距离、时间、电流大小存在直接关联，而且时间和电流大小的影响更大，通常需要以 ms 级精度控制放电时间，以 10mA 级精度控制放电电流大小，以此来规避熔球直径存在的误差问题。

当铜丝在键合焊接期间形成铜球时，火花放电的温度较高，铜球急速膨胀并达到真空气氛状态，在与大气快速混合的同时也导致铜球的氧化变形概率更高。相对而言，铜球氧化后将展现出更加坚硬的质地，导致焊接的难度进一步增加，容易因此出现较大的焊接误差。针对这一问题，操作人员可以利用 5% 氢气与 95% 氮气的混合气体进行防氧化保护，通过在 EPO 烧球点与芯片加热区喷放保护气体，起到防护作用，具体应用情况详见图 2。通过测试发现，氮氢混合气体的防护使得键合期间形成的铜球相对无防护环境下的铜球具有更均匀的形状和光滑的表面，构建的线弧也更加流畅、光滑，结果表明了保护气体对火花放电工艺的改善效果。

保护气体流量的大小对于铜球形状具有较大影响，铜线键合期间的气体流量通常控制在每分钟 0.7~1L 左右。不同流量下的铜球形状存在差异，大流量会导致偏头问题出现，小流量将导致尖头问题，而中流量的形状更加优异，在实际操作时，生产单位需要通过现场测试决定保护气体的流量大小，具体可以参看铜球氧化颜色的变化情况以及焊接铜球的形状等对流量进行调整。

研究发现，火花放电电极与铜丝端部的间距对于电流大小和铜球成形效果具有较大影响，随着间距的缩小，铜球将趋于稳定的圆球形，但硬度也会产生一定幅度的提升，不同键合铜丝的火花放电电流详见表 2。

4 结语

综上所述，铜丝相对金丝、铝丝等材料在成本、导电性、热学性能以及机械性能等各方面更具优势，更能够适应微电子工业的发展趋势，符合半导体产品的封装需求。在键合铜丝应用过程中，相关单位需要充分考虑铜丝易氧化以及硬度大等问题对键合质量的影响，积极采取涂抹绝缘涂层、添加微量碱土、过渡元素等方式改善铜丝的抗氧化相关性能，同时也需要积极优化超声、打火、保护气流量等相关工艺，不断提升半导体封装质量。