应用于红外焦平面铟柱互连的封装技术

李金健

（南通富士通微电子股份有限公司，江苏 南通 226006）

1 引言

自20世纪70年代以来，红外焦平面的发展非常迅速，其规模从单元探测器发展到多元、线列和面阵，目前已成为红外科学领域的研究前沿。当今的红外焦平面技术已发展成为集红外材料、光学、制冷、硅微机械加工和微电子集成电路设计于一体的高科技综合技术。在红外焦平面探测器阵列铟柱制备、铟柱互连技术、红外焦平面阵列性能参数测试等方面国内也有所研究。红外焦平面阵列作为红外成像的核心部件，包括探测器及读出电路，通过倒装焊的封装方式将其重要组成部分的探测器和读出电路互连起来。所谓倒装即是将器件直接倒扣到其对应的基板上，从而实现电气的互连。倒装焊中凸点的制作方法主要包括：引线键合方法、电镀方法、化镀方法等。

2 研究现状

2.1 铟柱的制备

铟柱的工艺要求为：薄膜厚度分布的均匀性不低于95%，铟膜要有适当的厚度，合理的铟柱高宽比（一般为1.5∶1），优选矩形截面，中心间距100μ m。以满足做成铟柱后可倒装互连的要求[1]。对铟柱的制备要求铟柱高度大于7μm、表面光滑、不易氧化、铟膜粘着力强[2]。为达到这些要求，通常会从铟原材料的选择、制备工艺、均匀性及黏附性等方面去考量。铟柱的制作过程如图1所示。

2.2 倒装焊技术

倒装焊主要类型包括：直接芯片连接技术和可空塌陷芯片互连技术[3]。直接芯片互连技术可以用现有的表面贴装设备及工艺来完成，并不需要太高的回流温度，对于组装的实现要容易许多。对于倒装焊接，设备对准的精度和焊料的材料选择很重要。倒装芯片结构通常包括：IC、UBM、凸点组成[6]。Under-Bump-Metallization（UBM）起到黏附及扩散阻挡的作用，UBM包括Ni/Au、Ni/Pd、Ni/Pd/Au，UBM通常可以通过化镀形成。

对于红外焦平面铟柱的倒装目前主要的连接方式为先在基板上印刷助焊剂（flux），再将上层芯片倒置在基板上，然后通过红外回流的方式实现其电性的互连。助焊剂目前主要分为固体、液体和气体三种形态。助焊剂的作用主要包括辅助热传导、去除氧化物、降低被焊接材质表面张力、去除被焊接材质表面油污、增大焊接面积、防止再氧化等几个方面。在这几个方面中比较关键的作用有两个是去除氧化物与降低被焊接材质表面张力。

为提高互连的可靠性，避免凸点因受力不均匀而造成机械损伤甚至断裂，通常需要在凸点结合处填充一种保护材料：under fill。under fill材料主要原材料是高纯度液态树脂，这种材料主要用于降低圆片凸块的应力，保护凸块与UBM的结合处，提高产品的可靠性。当这种underfill材料热固化后，可以形成一层低热膨胀系数的坚硬塑料层。如图2所示，在互连凸点处填充部分为under fill材料。这样可以较好地增加结合处的焊接强度，提高焊接可靠性。

2.3 互连可靠性的评定

互连的可靠性程度将直接决定红外器件的电性能及图形成像质量。对于倒装焊接，由于硅片、凸点及基板等材料之间热膨胀系数的差异，极易造成焊料凸点跟焊盘之间的机械损伤，从而导致器件失效。因而焊料凸点的连接可靠性显得尤为重要。这需要考虑材料膨胀系数的匹配性、器件使用环境的差异、材料的选择、组装工艺的优化等。同时，互连器件的对准精度也是影响可靠性的一个因素，设备工艺的调试，设备的能力优化也至关重要。需要选择符合该互连所必需精度的设备来配合。

3 存在的问题及解决构想

对于红外焦平面的互连，铟柱的制备、铟柱的工艺尤为重要。只有铟柱的工艺制备达到相应的工艺要求，符合相应的条件；同时采用的倒装焊封装方式优化到合理的工艺，材料的选择合理；设备的精度满足工艺要求，设备调试优化至合理的工艺窗口等，才可以较好的实现铟柱互连的稳定及可靠。对于倒装焊的优化，设备精度的配备，包括焊点位置的对准，焊料材料的选择，回流工艺的优化等，这一系列都需要在实际的生产过程中通过大量的优化调试、选择来得到合适的工艺条件，为红外焦平面的铟柱互连提供部分帮助。

［1］黄江平，等.128×128混合式热释电非制冷焦平面探测器列阵铟膜及铟柱制备工艺研究[J].红外技术，2003，11：1-4.

［2］杨梦丽，冯震. 128×128 GaAs量子阱红外焦平面探测器列阵铟柱制备[J].纳米器件与技术，2006，11：1-2.

［3］田民波.电子封装工程[M].北京：清华大学出版社，2003.447-451.

［4］中国电子学会生产技术学分会丛书编委会.微电子封装技术[M].合肥：中国科学技术大学出版社，2003.61-69.

［5］罗伟承，刘大全.BGA/CSP和倒装焊芯片面积阵列封装技术[J]. 中国集成电路，2009，2：1.

［6］李福泉，等.倒装芯片凸点制作方法[J].电子工艺技术，2003，3：1-2.

［7］任春岭，等.倒装焊技术及应用[J].电子与封装，2009，3:5-6.