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1、Wire Bonding,第六章 芯片互连,一、引线键合(WB)技术 WB是将半导体芯片焊区与微电子封装的IO引线或基板上的金属化布线焊区用金属细丝连接起来的工艺技术：焊区金属一般为AL或Au金属丝。多数是1微米至数百微米直径的Au丝、A1丝和Si一A1丝。焊接方式有热压焊、超声键合焊和金丝球焊三种。,Bonding Pad,Heat&US Power,EFO,Au Wire,Capillary,Lead,Wire Clamp,Lead,Heat&US Power,1、WB的分类及特点（1）热压焊 热压焊是利用加热和加压力，使金属丝与A1或Au的金属焊区压焊在一起。其原理是通过加热和加压力使焊
2、区金属(如A L)发生塑性形变，同时破坏压焊界面上的氧化层，使压焊的金属丝与焊区金属接触面的原子间达到原子的引力范围，从而使原子间产生吸引力，达到“键合”的目的。此外，两金属界面不平整，加热加压时，可使上、下的金属相互镶嵌。热压焊的焊头与芯片均要加热，焊头加热到150度左右，芯片通常加热到200度以上，容易使焊丝和焊区形成氧化层：同时，由于芯片加热温度高，压焊时间一长容易损害芯片影响器件的可靠性和使用寿命。,如AuA1金属化系统焊接处在高温下，Au向Al从中迅速扩散，形成金属间化合物就有Au2l(“白斑”),而且多是脆性的，导电率较低，因此，使用得越来越少。,超声焊又称超声键合、它是利用超声波
3、发生器产生的能量通过磁致伸缩换能器，在高频磁场感应下，迅速伸缩而产生弹性振动，破坏Al层界面的氧化层使两个纯净的金属面紧密接触、达到原子级的“键合”，从而形成牢固的焊接。超声键合与热压焊相比，能充分去除焊接截面金属氧化层，提高焊接质量，焊接强度高于热压焊，超声焊不需加热可在常温下进行，因此芯片性能无损害，这对器件的可靠性和长期使用寿命都是十分有利的。,（2）超声焊,现代的金丝球焊机往往还带有超声功能从而又具备超声焊的优点、有的也叫做热(压)(超)声焊：球焊时，衬底(承片台)仍需加热，压焊时加超声，因此其加热温度远比普通的热压焊低(一般加热到100 度即可)：所加压力一般为0.5N点，与热压焊相
4、同。,（3）金丝球焊,（4）引线键合的主要材料不同的焊接方法，所选用的引线键合材料也不同。如热压焊、金丝球焊主要选用Au丝超声焊主要用A1丝和Si一A1丝，还有少量的CuAI丝和Cu一Si一Au丝等：这些金属材料都具有下述埋想要求的大部分优良特性，如能与半导体材料形成低阻的欧姆接触；Au的化学性能稳定，AuAu和A1一A1同种金属间不会形成有害的金属间化合物；与半导体材料的结合力强；电导率高，导电能力强；可塑性好，易于焊接，并能保持定的形状等。,二、载带自动焊(TAB)技术 TAB技术早在1965年就由美国通用电气(GE)公司研究发明出来，当时称为“微型封装”，1971年法国Bull SA公司
5、将它称为“载带自动焊”，以后这叫法就一直延续下来。这是一种有别干且优于WB、用于薄型LSI芯片封装的新型芯片互连技术：直到20世纪80年代中期TAB技术一直发展缓慢。随着多功能、高性能LSI和VLSI的飞速发展，IO数迅速增加，电子整机的高密度组装及小型化、薄型化的要求日益提高，到1987年，TAB技术又重新受到电子封装界的高度重视：美国的仙章公司(现在的松下子公司)、Motorola公司、松下半导体公司和德克萨斯仪器公司等应用TAB技术成功地替代了DIP塑封。美、日、西欧各国竞相开发应用TAB技术、使其很快在消费类电子产品中获得广泛的应用，主要用于液晶显示、智能IC卡、计算机、电子手表、计算
6、器、录像机和照相机中：在这些应用小，日本使用TAB技术在数量和工艺技术、设备诸方面都是领先的，直至今日仍是使用TAB的第一大户，美、欧次之，亚洲的韩国也有一定的用量俄罗斯也有使用。,芯片,铜箔,引线,链轮齿孔,多点次焊接,焊点,:较厚,芯片,铜箔,引线,I传送胶带,链轮齿孔,多点次焊接,焊点,:较薄,铜箔,I传送胶带,芯片,基板,芯片表面互连线,基板表面互连线,凸点,TAB一般采用Cu箔引线，导热和导电性能好，机械强度高。TAB使用标淮化的卷轴长带(长100 m)，对芯片实行自动化多点次焊接；同时，安装及外引线焊镀可以实现自动化，可进行工业化规模生产，从而提高电子产品的生产效率，降低产品成本。
7、,1、TAB的关键技术 TAB的关键技术主要包括三个部分，一是芯片凸点的制作技术；二是TAB载带的制作技术；三是载带引线与芯片凸点的内引线焊接技术和载带外引线的焊接技术。,（1）基带材料 基带材料要求高温性能好与Cu箔的粘接性好，耐温高热匹配性好，收缩率小且尺寸稳定，抗化学腐蚀性强，机械强度高，吸水率低等。从综合性能来看，聚酰亚胺(PI)基本都能满足这些要求，所以是公认的使用广泛的基带材料，唯独价格较高。,（2）TAB的金属材料 制作TAB的引线图形的金属材料除少数使用A1箔外一般都采用Cu箔。这是因为Cu的导电、导热性能好、强度高，延展性和表面平滑性良好，与各种基带粘接牢闯，不易剥离，特别是
8、易于用光刻法制作出精细、复杂的引线图形，又易于电镀Au、Ni、PbSn等易焊接金属，是较为理想的TAB引线金属材料。,（3）芯片凸点的金属材科 TAB技术要求在芯片的焊区上先制作凸点，然后才能与Cu箔引线进行焊接，芯片焊区金属通常为A1膜，为使AI膜和芯片钝化层粘附牢固，要先淀积层粘附层金属；接着，还要淀积一层阻档层金属，以防止最外层的凸点金属与A1互扩散，形成不希望有的金属间化合物；最上层才是具有一定高度要求的凸点金属。也可以将芯片焊区的凸点制作在TAB的Cu箔引线上，芯片只做多层金属化或者芯片上仍是AI焊区。这种TAB结构又称为凸点载带自动焊(BTAB)。,粘附层Ti,阻挡层W,Al层,凸
9、点Au,2、TAB载带的设计要点 TAB的载带引线图形是与芯片凸点的布局紧密配合的，即首先预知或精确测量出芯片凸点的位置、尺寸和节距，然后再设计载带引线图形。引线图形的指端位置、尺寸和节距要和每个芯片凸点一一对应。其次，载带外引线焊区又要与电子封装的基板布线焊区一一对应，由此这决定了每根载带引线的长度和宽度。根据用户使用要求和IO引脚的数量、器件性能要求的高低(决定是否进行筛选和测试)以及成本的要求等，来确定选择单层带、双层带、三层带：双金属层带。单层带要选择5070微米的厚Cu箔，以保持裁带引线图形在工艺制作过程和使用的强度，也有利于保持引线指端的共面性，使用其他几类载带，因有PI支撑，可选
10、择1835微米或更薄的Cu箔从芯片凸点焊区到外引线焊区，载带引线有一定的长度，并从内向四周均匀“扇出”。载带引线接触芯片凸点的部分较窄，而越接近外焊区载带引线越宽。由内向外载带引线的由窄变宽应是渐变的，而不应突变，这样可以减少引线的热应力和机械应力。,TAB按其结构和形状，分为Cu箔单层带、CuPI双层带、Cu粘接剂一PI三层带和CuPICu双金属带四种，以三层带和双层带使用居多。,3、TAB载带的分类与制作技术,（1）TAB单层带的制作技术 TAB单层带是厚度为5070微米的Cu箔，制作工艺较为简单。首先要冲制出标准的定位传送孔(使载带如电影胶片样卷绕和用链轮传送：用光刻法制作，需要制光刻版
11、并进行双面光刻。先在Cu箔的一面涂光刻胶，进行光刻，曝光、显影后，背面再涂光刻胶保护；接着，进行腐蚀和去胶；最后进行电镀和退火处理。腐蚀后的Cu箔引线图形区去胶后一般进行全面电镀。只有对贵金属Au，为了降低成本，节省Au时，才只在内、外引线焊接区进行局部电镀，不镀的部分要进行保护，但这又会增加工艺的复杂性和难度。也可全面镀Au，不用的引线框架待回收Au后再利用。,（2）TAB双层带的制作技术 TAB双层带是指金属箔和PI两层而言。金属箔为Cu 箔或A1箔，以Cu箔使用较多.PI是由液态聚酰胺酸(PA)涂覆在金属箔上，然后再两面涂覆光刻胶，经光刻刻蚀，分别形成局部亚胺化的PI框架和金属引线图形，
12、同时形成定位传送孔；最后，在高温(350度)下再将全部PA亚胺化，形成具有PI支撑架和金属引线图形的TAB双层带，然后对引线图形进行电镀。,（3）TAB三层带的主要制作过程包括如下步骤(1)制作冲压模具。冲压模具是可同时冲制PI膜定位传送孔和PI框架的高精度硬质合金模具。(2)连续冲压PI膜定位传送孔和PI框架。(3)涂敷粘结剂。粘结剂通常是实现附好在PI上的。冲压时，通孔处的粘接剂层也被冲压掉。(4)粘覆Cu箔。将冲压好的PI膜覆上Cu箔放置到高温高压设备上进行加热加压，要求压制Cu箔和PI膜间无明显气泡，压制的三层带均匀一致性好。(5)按设计要求对大面积冲压好的三层带进行切割。(6)将设计
13、好的引线图形制版，经光刻、腐蚀、电镀等工艺，完成所需要的引线图形：这与单层Cu箔的制作工艺是相同的。,（4）TAB双金属带的制作技术TAB双金属带的制作，可将PI膜先冲压出引线图形的支撑框架，然后双面粘接Cu箔，应用双面光到技术，制作出双面引线图形，对两个图形PI 框架间的通空孔再进行局部电镀形成上下金属互连。,4、TAB的焊接技术(1)内引线焊接技术 这两种焊接方法都是使用半自动或全自动的内引线焊接机进行多点次焊接的。焊接时的主要工艺操作为对位、焊接、抬起和芯片传送四步。对位 将具有粘附层的Si圆片经测试并做好坏芯片标记，用划片机划成小片IC，并将芯片置于内引线压焊机的承片台上。按设计的焊接
14、程序，将性能好的IC片置于卷绕在两个链轮上的载带引线图形的下面，使载带引线图形与芯片凸点进行精确对位；焊接将加热的热压焊头，加压一定时间，完成焊接。,抬起 抬起热压焊头，焊接机将压焊到裁带上的IC芯片通过链轮步进卷绕到卷轴上，同时下一个载带引线图形也步进到焊接对位的位置上。芯片传送 供片系统按设定程序将下一个好的IC芯片转移到新的载带引线图形下方进行对位从而完成了一个完整的焊接过程。,(2)TAB的外引线焊接技术 经筛选和测试的载带芯片，将性能好的载带芯片沿载带外引线的压焊区外沿剪下，先用粘接剂将芯片粘接在基板预留的芯片位置上，并注意使载带外引线焊区与基板的布线焊区一一对准，用热压焊法或热压回
15、流焊法将外引线焊好，再固化粘接剂(也可先固化，后压焊)。对采用引线框架或在生产线上连续安装载带芯片的电子产品，可使用外引线压焊机将卷绕的载带芯片连续进行外引线焊接，焊接时即时应用切断装置在每个焊点外沿将引线和除PI支撑框架以外的部分切断并焊接。,基板,基板,芯片表面互连线,基板表面互连线,20世纪60年代初，美国IBM公司首先研制开发出在芯片上制作凸点的倒装焊F工艺技术，大大减少了引线的长度,基板,芯片表面互连线,基板表面互连线,凸点,三、倒装焊,倒装焊(FCB)是芯片与基板直接安装互连的一种方法。WB和TAB互连法通常那是芯片面朝上安装互连、而FCB则是芯片面朝下芯片上的焊区直接与基板上的焊
16、区互连。因此，FCB的互连线非常短。互连产生的杂散电容、互连电阻和互连电感均比WB和TAB小得多，从而更适合高频、高速的电子产品应用。同时FCB芯片安装互连占的基板面积小因而芯片安装密度高。此外，FCB芯片焊区可面阵布局、更适合；高IO数的LSI、VLSI芯片使用。由于芯片的安装、互连是同时完成的这就大大简化了安装互连工艺，快速、省时适于使用先进的SMT进行工业化大批量生产。当然FCB也有不足之处，如芯片面朝下安装互连，会给工艺操作带来一定难度，焊点检查困难(只能使用红外线和X光检查)；另外、在心片焊区一般要制作凸点，增加了芯片的制作工艺流程和成本，此外，倒装焊同各材料间的匹配所产生的应力问题
17、也需要很好地解决等。但随着工艺技术和可靠性研究的不断深人，FCB存在的问题止逐一得到解决。,这些公司使用FCB后的生产效率都比用WB法提高了35倍。随后的FCB技术发展并不快，因为中、小规模IC的IO数少则几个多的也只有数十个，用WB互连更加灵活方便.直至20世纪80年代中期随着多功能、高性能LSI和VLSI的飞速发展，IO数迅速增加，一些电子整机的高密度组装及小型化、薄型化要求日益提高，这时，FCB所具有的最高的安装密度、最高IO数和较低的成本，以及可直接贴装l等优越性，因其旺盛的需求而充分发挥出来，美网、日本、欧洲的各大电子公司都相继研制开发出各种各样的FCB工艺技术。,1芯片凸点下多层金
18、属化 各种I芯片的焊区金属均为A1，在A1焊区上制作各类凸点，除Al凸点外制作其余凸点均需在A1焊区和它周围的钝化层或氧化层上形成一层粘附性好的粘附金属，一般为数十纳米厚度的r、Ti、N5层；接着在粘附金属层上形成一层数十至数百纳米厚度的阻挡层金属，如Pt、Pd、Mo、u、Ni等，以防止上面的凸点金属(如Au等)越过薄薄的粘附层与Al焊区形成脆性的中间金属化合物；最上层是导电的凸点金属，如Au、u、Ni、PbSn、In等。这就构成了粘附层-阻挡层-导电层的多层金属化系统前面的表28已列出了各类多层金属化系统。,在多层金属化系统上，可用多种方法形成不同尺寸和高度要求的凸点金属，其分类可按凸点材料
19、分类，也可按凸点结构和形状进行分类。(1)按凸点材料分类 按凸点材料分类，有Au凸点、NiAu凸点、Au-Sn凸点、Cu凸点、CuPbSn凸点、In凸点、Pb-Sn凸点和聚合物凸点等，其中应用最广的是Au凸点和PbSn凸点。(2)按凸点结构和形状分类 按凸点形状分类，有蘑菇状、柱状(方形、圆柱形)、球形和叠层几种。按凸点结构分类，有周边分布凸点和面阵分布凸点等。其中，应用最多的是柱状凸点、球形凸点、周边分布凸点和面阵分布凸点。,粘附层Ti,阻挡层W,Al层,凸点Au,2、凸点制作法（1）电镀法 电镀法是国际上最为普遍且工艺成熟的凸点制作方法。该方法不仅加工工序少，工艺简便易行，而且适于大批量制
20、作各种类型的凸点。图2，17为典型的TiWAu凸点制作工艺流程，下面作详细论述。,(2)打球(钉头)凸点制作法 打球凸点制作法是利用常用的Au丝球焊接机制作完成的,经检测后的圆片，应先在其A1焊区上形成多层金属化，与上述电镀凸点制作多层金属化的方法相同。在I芯片的各个A1焊区上形成多层金属化后，就可在其上放置焊料球。如何给这个焊料球定位呢这就要使用掩模板。掩模板可用0.1mm厚的不锈钢制作，制作的开孔需与比芯片上的焊区一一对应。制作方法多用蚀刻法和激光切割法。将制作的掩模板与芯片焊区对位后进行固定，即可放置焊料球，焊料球正好位于掩模扳的每个开孔中。将不在开孔中的焊料球清除干净，就可进行焊料再流
21、：将放置焊料球的圆片连同掩模板一起推进炉中再流：再流须在H2或N2保护气氛下进行，以便焊料球在熔化过程中不形成氧化层，使之能与焊区的多层化金属形成良好的浸润焊料球允分熔化后，即可将圆片置于低温区焊料就在掩模扳的限制下，以底层金属为基面而收缩成一个个半球状的PbSn焊料凸点 最后取下掩模板，芯片凸点即制作完华,(3)置球及模板印刷制作焊料凸点的工艺方法,3、FCB的工艺方法,（1）热压FCB法 这种方法是使用倒装焊接机完成对准各种凸点，倒装焊接机是由光学成像对位系统、捡拾热压超声焊头、精确定位承片台及显示系统等组成的精密设备，将欲FB的基板放在承片台上，用捡拾焊头捡拾带有凸点的芯片，面朝下对着基
22、板，路光学摄像头对着凸点芯片面，一路光学摄像头对准基板上的焊区，分别进行调准列对位，并显示在屏上。待调准对位达到要求的精度后，即可落下压焊头进行压焊：压焊头可加热，并带有超声同时承片台也对基板加热，在加热、加压、超声到设定的时间后就完成所有凸点与基板焊区的焊接。FB时芯片与基板的平行度非常重要，如果它们不平行、焊接后的凸点形变将有大有小致使拉力强度也有高有低，有的焊点可能达不到使用要求。所以调平芯片与基板的平行度对焊接质量至关重要，调平系统的原理如图228所示,（2）环氧树脂光固化法 这是一 种微凸点FB法。与一般倒装焊截然不同的是，这里是利用光敏树脂光固化所产生的收缩力将凸点与基板上金属焊区
23、牢固地互连在一起，不是“焊接”，而是“机械接触”。其工艺步骤为在基板上涂光敏树脂；芯片凸点与基板金属焊区对位贴装，加紫外光()并加压光固化、从而完成芯片倒装焊，如图232所示：这种例装焊又叫机械接触法。,光固化后的收缩应力能使凸点与基板的金属电极形成牢固的机械接触。这种使用光固化树脂的例装焊法，工艺简便，不需昂贵的设备投资故倒装焊成本低，是一种很有发展前途的倒装焊技术。,（3）各向分性导电胶FCB法,先在基板上涂覆各向异性导电胶（AA）薄膜，将带有凸点的 芯片与基板上的金属焊区对位后，在芯片上加压力：进行AA固化，这样，导电粒子挤压在凸点与焊区之间，使上下接触导电，而在xy平面各方向上导电粒子
24、不连续，放不导电,（4）回流CB法 这种焊接方法专对各类Pb-Sn焊料凸点进行再流焊接，俗称再流焊接法：这种FCB技术。将带有凸点的 芯片与基板上的金属焊区对位后，一起放进回流炉里进行回流焊利用焊料凸点的自准效应，实现精确的确,四、各种芯片互连方法的比较,在微电子封装技术中，半导体器件的失效约有l4l3是内芯片互连引起的故芯片互连对器件长期使用的可靠件影响很大。在传统的WB中，互连引起的失效主要表现为引线过长，与裸芯片易形成短路，烧毁芯片；压焊过重，引线过分变形，损伤引线，容易造成压焊处断裂；压焊过轻，或芯片焊区表面太脏，导致虚焊，压焊点易于脱落；压焊点压扁，因此键合强度大为减小，或造成压焊点间距过小而易于短路；此外，压点处留丝过长，引线过紧、过松等，均易引起器件过早失效。在TAB和FCB小也存在WB中的部分失效问题，同时也有它们自身的特殊问题，如由于芯片凸点的高度一致性差，群焊(多点次焊接)时凸点形变不一致，从而造成各焊点的键合强度有高有低；由于凸点过低，使集中于焊点周围的热应力过大，而易造成钝化层开裂；面阵凸点FCB时，由于与基板不匹配，芯片的焊点应力由中心向周边逐次升高轻者可引起封装基板变形，重者可导致远离芯片中心的凸点焊接处开裂失效等。,
