倒装芯片封装技术及内部应力检测技术探析

宣 慧

（南通富士通微电子股份有限公司，江苏南通，226006）

当前，在集成电路芯片封装中常用的三种封装技术包括：引线键合技术、载带自动键合技术、倒装芯片技术。其中，前两种技术的芯片焊盘被限于芯片周围，为此，I/O数较低，倒装芯片技术能够将芯片整个面积用以连接基板，因而有效提高了I/O数。随着集成电路性能的逐步提高，I/O数不断增加，较前两种技术不同，倒装芯片封装技术优势显著，不仅 I/O密度高，而且互联线短、互连自对准、散热性能佳、生产率高，这使得该技术成为该领域极具吸引力的一项封装技术，并在高频通信、计算机、便携式电子产品中广泛应用。

1 倒装芯片封装技术分析

1.1 UBM技术

UBM技术是倒装芯片封装技术中的关键，包括三层结构：粘附层、扩散阻挡层、导电层。粘附层多涂于A1焊区及钝化层上的Cr或Ti层，具有粘附凸点与焊盘的功能；扩散阻挡层为Cu、Ni或Mo层，避免凸点的金属越过了粘附层，同Al焊盘共同形成金属化合物；通常而言，导电层属于Au、Cu层，用于同导电相连。在凸点下采用Ti：W-Cu为UBM层。在PbSn凸点、Cu层间形成Cu-Sn IMC，并将凸点同UBM连接，同凸点不同，这些IMC极易碎，会对焊点可靠性造成不良影响，特别在Sn含量较高的无铅焊料中，这是由于Ni、Cu间IMC较Sn、Cu间IMC具有更缓慢的生长速率，为此，就无铅焊料而言，必须采用Ni作阻挡层，也可采用厚Cu为阻挡层，但更易出现空洞，因此使用不广泛。C4技术广泛应用于节距超过140μm的芯片中，对于不超过140μm的芯片，可采用Cu pillar技术。

1.2 底部填充技术

在倒装焊接结束后，需要在芯片、基板间进行环氧树脂填充，以免芯片受到环境影响，并减小热膨胀不适配等问题，确保应力和应变再次予以分配，提高元件可靠性。采用无流动填充工艺，在芯片、基板焊接前，将混合了助焊剂与填充物的混合剂分布于基板，再回流进行焊接，较传统工艺而言无需采用细缝毛细管进行虹吸，将凸点回流、填充物固化相互合并，极大地简化了工艺，提高了生产效率。此外，还应注意填充物满足助焊、延迟固化等能力。但采用该技术在热回流中易产生很多空穴，会对封装可靠性造成影响。通过将二氧化硅掺于填充物中，可显著降低其CTE，提高封装效果。

无流动填充技术需事前于基板上进行填料分布，同表面贴装技术不相兼容，因而推动了同SMT工艺相互兼容的晶圆级填充技术的成功，该技术成本低廉、可靠性高，首先是在凸点或晶圆上采用合适的方法，增添一层下填料，就无凸点晶圆而言，需要先进行凸点制作，再将晶圆进行切割，成为单个的芯片，各芯片能够利用标准SMT工艺，同基板相互连接。

1.3 基板技术

传统倒装芯片进行基板封装时，采用的是陶瓷基板，但成本较高，为了降低成本，有机基板应用越来越广，其常采用的是顺序堆叠结构，包括三个部分，中间的是PCB技术所制的核，核上下两面分别为微通孔所制叠层，中间的核是用于提供足够的机械硬度，两边Build-up layer，为倒装芯片的连接提供了集成线路，适用于104/cm2I/O密度的芯片，且具有3×10-6/℃的CTE，通过对Core中的树脂比例进行调整，可将其CTE扩展为5×10-6/℃，降低CTE，可以有效降低回流时接点的应力，确保封装具有足够的可靠性。

2 倒装芯片内部应力检测

由于倒装芯片封装中需经历一个热回流过程，此时，由于基板材料同硅质芯片热膨胀系数具有较大的差异性，导致在高温区时基板发生剧烈膨胀，但芯片形变较小，在焊球凝固之后，芯片同基板位置固定不变；降温中基板收缩剧烈，此时，芯片形变较小，致使基板通过焊球给芯片了一个向内挤压的应力，影响了芯片的性能与可靠性。

为有效提高封装可靠性，就倒装芯片封装体系而言，常会于芯片、基板间进行下填料的填充。常温情况下，下填料流动性高，于芯片边缘加胶，则下填料受毛细作用均匀进入芯片、基板之间，并发生固化，固化后热稳定性很高，可以将芯片同基板相固定，大幅降低封装之后芯片、基板因CTE不匹配，所带来的热应力，确保封装可靠性。但是，下填料固化时会经历超过100℃的一个热过程，此时，下固料发生的固化反应，会导致芯片出现应力变化，易影响芯片上器件的可靠性。

为了对倒装芯片封装可靠性进行检验，常采用热循环实验技术，其原理如下：循环变化的温度环境，能够使芯片、焊球、基板三者处于反复变化的热应力中，继而出现疲劳失效，这样，采用倒装芯片封装体系所能承受的热循环次数，用以对该系统的可靠性进行检验。具体而言，可采用压阻应力传感器芯片，对焊球回流中对芯片造成的应力进行测量，通过对各尺寸芯片承受的应力大小的影响进行分析，于芯片、基板之间填充性能各异的下填料，对各种下填料性能参数进行分析，对其性能参数对芯片应力所产生的影响进行分析，通过对力敏电阻、压阻系数温度系数进行标定，对下填料固化过程中芯片所受应力进行即时监测，并对倒装芯片加以反复的热循环试验，这样可以对热循环过程对芯片应力产生的影响进行测量。

3 结语

近些年来，电子封装逐步朝着更小、成本更低廉、更快的方向不断发展，除了要求进一步缩小尺寸，提高性能以外，还要求最大限度地缩减成本。在这种情况下，倒装芯片封装技术应运而生，体现了这一趋势的发展。内部热应力会导致封装可靠性显著降低，为了解决这一问题，必须加强应力检测。当前全球有很多企业均致力于研发和优化倒装芯片封装技术，为推动这一技术的进一步发展贡献力量。

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