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壓縮式覆晶晶片焊接技術淺談

上網時間: 2001年10月28日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:Tsukasa Shiraishi  Toshiyuki Kojima  Masahiro Ono  Minehiro Itagaki  Yoshihiro Bessho 

覆晶晶片焊接技術近年來正受到越來越多的關注,這主要是因為與其它LSI封裝技術如正向絲焊和正向捲帶自動接合(TAB)等相比,它的封裝密度和電氣性能最好。本文介紹一種壓縮式覆晶晶片焊接技術,接合過程中只需很小作用力,可避免對晶片的損壞同時具有很高可靠性。

在各種覆晶晶片焊接技術中,壓縮式技術(異向導電膜接合即屬於此類)製程相對簡單,具有生產速度快和生產率高的特點,因此人們希望用壓縮式覆晶焊技術降低LSI封裝,如CSP(晶片級封裝)和MCM(多晶片組件)等的組裝成本。

在傳統的壓縮式覆晶焊技術中,接合製程需要較大的作用力以獲得良好電氣接合性能。同時,LSI晶片內的電路單元尺寸正在迅速縮小,其內部或上面的電路和I/O引線密度非常高,所以LSI晶片上的I/O引線密度正在迅速成長,接合製程中LSI晶片上受到的力也與I/O引線成比例成長。

面陣列LSI晶片有利於提高I/O引線密度、提高處理速度和降低功耗,所以多種CPU晶片都轉向採用這種形式,但此時I/O焊盤是製作在主動電路上的,所以較大的作用力會直接對主動電路造成損壞。現在業界對利用覆晶晶片技術將多種複合半導體接合到基板(如GaAs光元件模組)的需求量很大,很多半導體複合物都比較脆,另外薄形封裝也採用覆晶焊技術把薄形基底LSI晶片接合到基板上而製成,所以這些應用對新型壓縮式覆晶焊技術也有很大的需求,希望在接合過程中施加較低的力將晶片接合到基板上。

常規覆晶晶片焊接技術

焊料接合和導電膠接合 已有很多技術文獻對覆晶晶片焊接技術進行了介紹。焊料接合技術如C4製程需要大量複雜的裝配製程和很多昂貴的生產設備(如濺射系統和CVD),所以這種技術在成本上不如其它技術,另外從環保角度看它也不太好,因為要採用含鉛化合物材料。栓柱凸點接合(SBB)技術是一種導電膠接合技術,接合部份由使用絲焊法形成的Au凸點和導電膠構成,該技術的優點之一是接合可靠性高。

圖1顯示了採用SBB技術進行導電膠接合和焊料接合的熱循環測試結果。由於導電膠的楊氏模數在施加熱應力時很低,導電膠會變形而將熱應力釋放使接合區域保持穩定,因此導電膠接合技術可靠性較高。很明顯,接合電阻是個重要參數,它會影響電路的電氣性能。但該技術也有一些問題,由於凸點是採用絲焊方法一個一個地形成,所以它不適合高密度I/O引線的LSI晶片;另外導電膠和底充膠固化時間很長,會降低生產速度。

常規式覆晶晶片技術 壓縮式覆晶晶片焊接技術的突出特點是電性連接和底充膠樹脂固化可以在接合過程中藉由加熱加力一次性完成。在壓縮式覆晶焊技術中,各向異性導電膜(ACF)技術廣為人知,電性連接藉由ACF內Au凸點表面與其電極之間融入的導電顆粒來實現。除了ACF技術外,壓縮式覆晶焊技術還包括各向異性導電膏(ACP)技術、非導電顆粒膜(NCF)技術和非導電顆粒膏(NCP)技術。在NCF中採用的是不含導電顆粒的NCF,而不是ACF,Au凸點直接接合到基板電極上;ACP和NCP中使用的則是膏狀材料而不是膜。

常規壓縮式覆晶晶片技術比前面提到的其他覆晶焊技術更勝一籌,但常規壓縮式覆晶焊技術中硬凸點和基板在接合過程中需施力使其變形,以獲得良好電氣接合特性,所以要用較大的作用力。在ACF技術中施加不同力進行熱循環試驗後的接合電阻,作用力在每凸點0.8N(34.6MPa)時,樣品結合電阻藉由1,000次循環後仍然是穩定的,但是把作用力降到每凸點0.2N(8.6MPa)後,樣品結合電阻在200次循環後就失效。這對高密度I/O引線LSI晶片、面陣列LSI晶片、合成物半導體或薄形LSI晶片等接合到基板上將產生不利影響,因為這些裸晶片的電特性會被改變,或者這些裸片會因施力太大而被壓裂。

新型覆晶焊技術

概念 如果使用電極上有導電膠柱的基板,就能減少壓縮式覆晶焊技術接合過程所需的作用力。因為導電膠柱的楊氏模量很低,而且膠柱在接合過程中加熱後會變軟,所以膠柱很容易變形。我們還可以推知這種導電膠接合的電性連接具有很高可靠性,正如SBB技術所証實的那樣。另外也沒有必要再形成凸點,因為膠柱就可作為凸點使用。

實驗結果 第一個實驗是確認接合過程中所需施加的力是否能減少,以及電性連接是否具有高可靠性,圖2是採用帶膠柱基板的實驗程式。我們在實驗中準備了兩種基板,一種有導電膠柱,一種沒有。在基板上形成膠柱的過程如下:將SBB技術中所用的導電膠轉到LSI晶片上形成的每個Au凸點的頂端,然後再移到每個電極上,這時進行半固化,膠柱高度約10μm;應用絲焊方法在LSI晶片的Al焊盤上形成Au凸點,然後把液態底充膠塗覆到基板上的LSI晶片黏著區,將LSI晶片和基板對準,加熱(180℃)加力(每凸點0.2∼0.8N,即8.6∼34.6MPa)30秒使之接合,最後固化底充膠。

實驗使用的是FR-4玻璃環氧基板,作為實驗載體的基板帶有九個覆晶晶片位,尺寸為100×100mm,厚度為0.6mm,每個晶片位的尺寸為30×30mm,基板電極由鍍Au的Cu構成。實驗的LSI晶片有248個焊盤和一個通斷實驗圖,焊盤間距為150μm,晶片尺寸10×10mm,厚度0.4mm。

導電膠的特性如下:有機成分,柔性環氧樹脂;導電填料,銀;25℃下黏稠度,20Pa?S;體電阻率,7×5-5Ω?cm。底充膠特性為:有機成分,酸酐環氧樹脂;25℃下黏稠度,80Pa?S;CTE,α1=33ppm/℃,α2=110ppm/℃;彎曲模數,700kg/mm2。這種材料在180℃下加熱11秒就會完全固化。

從施加不同作用力後的電性接合特性結果可看出,對於有膠柱的基板,施加各種作用力接合特性都表現很好;但是對沒有用膠柱的基板,即使施加的力每凸點為0.6N或更小也會出現開路。

圖3是用電子掃描顯微鏡(SEM)對每個接合區域所作的截面圖。左邊的圖上看不到基板Au凸點和電極的變形,我們可觀察到夾在LSI晶片上的膠柱與Au凸點之間的球形SiO2填充劑因施加了每凸點0.2N的較低作用力而被嵌入進導電膠?。如果使用沒有膠柱的基板,施加每凸點0.8N的較高作用力才能看見Au凸點?嵌入的填充劑,如右圖所示。這種現象對減少作用力非常有效,我們証明採用導電膠柱的基板能減少接合過程中的作用力。

有膠柱的基板在溫度循環試驗下的接合電阻,施加的作用力為每凸點0.2N(8.6MPa)。接合電阻用探針法測試,LSI晶片上Al線電阻約為10mΩ。接合電阻藉由1,000次循環後仍然穩定,因此可以認為使用此方法進行電性連接具有和SBB技術一樣的高可靠性。

接著我們進行第二個實驗以確認沒有凸點的LSI晶片接合到有焊柱的基板上時能否獲得良好的電性接合性能。我們在實驗?準備了兩種基板,這些基板的焊柱高度不同(圖4)。高柱是將導電膠轉移到電極兩次以後形成的,高度約20μm,另外用化學鍍技術在LSI晶片上的Al焊盤上鍍一層Ni/Au金屬薄層,厚度約4.5μm。

基板上膠柱較低時,作用力稍小就會出現一些開路,可能是低膠柱的變形程度太小,不能實現良好的電性接合,而高一些的膠柱變形就足夠。從這個實驗的結果可以得出,如果膠柱高度合適,把裸片接合到有膠柱的基板上時能獲得良好的電性接合性能。

膠柱成形技術

研究膠柱成形技術也是覆晶焊技術的一項重要任務。圖5顯示了目前正在研究的厚光刻膠上的膠柱成形技術。先在厚光刻膠上製出圖樣作為膠柱孔模版,這種厚光刻膠較高的高寬比及良好的平整性非常重要,因為它們是製作導電膠柱以及使膠柱均勻的關鍵。製版完成後,導電膠填入到膠柱孔圖形中,用橡膠刮板刮去溢出的導電膠,基板再放入90℃對流烘箱中半固化30分鐘。導電膠藉由半固化之後,光刻膠模版用常規光刻膠顯影劑或剝離劑除去,留下的就是導電膠柱。此技術可以實現細間距製圖並能以較低成本形成膠柱。

本文結論

採用帶導電膠柱的基板,可以確定接合過程中所需作用力能減少到常規ACF技術的四分之一,同時電性連接也具有較高可靠性。因此將來的裸片如高密度I/O引線LSI、面陣列LSI晶片、複合半導體或薄形LSI晶片等用覆晶焊接合到基板時,採用這種技術更好一些。從實驗結果可以看出,如果焊柱高度合適,膠柱可作為凸點使用,為沒有凸點的裸片接合到基板提供良好的電性接合性能。我們還利用膠柱成形技術使用正在開發的厚光刻膠製成了細間距膠柱。這些技術都具有很大的發展潛力,能在LSI封裝技術中實現高品質、高密度和低成本。

[High-Density Interconnect]




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