先進封裝之芯片熱壓鍵合技術(一）及先進封裝清洗介紹

合明科技發布時間：2023-07-31 ?? 3301 Tags：芯片熱壓鍵合技術面板級扇出型封裝先進芯片封裝清洗

回顧過去五六十年，先進邏輯芯片性能基本按照摩爾定律來提升。提升的主要動力來自三極管數量的增加來實現，而單個三極管性能的提高對維護摩爾定律只是起到輔佐的作用。隨著SOC的尺寸逐步逼近光罩孔極限尺寸(858mm2)以及制程的縮小也變得非常艱難且性價比遇到挑戰, 多芯片封裝技術來到了舞臺的中心成為進一步提升芯片性能的關鍵。覆晶鍵合技術已然成為先進多芯片封裝最重要的技術之一。

盡管某些基于晶圓級或者面板級扇出型封裝的工藝流程可以不用到覆晶封裝，但是這個技術方向有其自己的應用局限性。比如其目前量產重布線層的層數大多在五層以內，使其不太適合服務器芯片的封裝。如今最常見的基于焊球的覆晶鍵合封裝技術一共有三種：回流焊（mass reflow）, 熱壓鍵合（Thermo Compression Bonding or TCB）和激光輔助鍵合（Laser Assisted Bonding, or LAB）。基于銅銅直接鍵合的覆晶封裝不在這個文章的討論重點，我們會在后續的文章中討論目前最具希望能進一步縮小的bump間距（bump pitch scaling down）的方法，比如混合鍵合（Hybrid bonding）和銅銅直接熱壓鍵合等等。

熱壓鍵合工藝的基本原理與傳統擴散焊工藝相同，即上下芯片的Cu 凸點對中后直接接觸，其實現原子擴散鍵合的主要影響參數是溫度、壓力、時間. 由于電鍍后的Cu 凸點表面粗糙并存在一定的高度差，所以鍵合前需要對其表面進行平坦化處理，如化學機械拋光(chemical mechanical polishing,CMP)，使得鍵合時Cu 表面能夠充分接觸. 基于目前研究文獻，通過熱壓鍵合工藝實現Cu-Cu 低溫鍵合的方法從機理上可分為兩類，即提高Cu 原子擴散速率和防止/減少待鍵合Cu 表面的氧化.

表一在high level總結了這三種基于焊球的覆晶鍵合封裝技術的優缺點。可以看到沒有一種鍵合方式是完美的。對于某個產品來說，任務是要找到最合適的鍵合方法。作為本文的重點，熱壓鍵合最大的優勢是對die和基板（可以是substrate, another die or wafer or panel）的更為精準的控制。

表一：基于焊球的覆晶鍵合技術

接下來我們著重討論一下高端的邏輯芯片的鍵合方式為什么逐步從回流焊鍵合過渡到熱壓鍵合。圖一（a）給出了一種常見的回流焊芯片鍵合流程。先將芯片上的bumps沾上助焊劑（flux）或者在基板上的C4 (controlled-collapse chip connection)區域噴上定量的助焊劑。然后用貼片設備將芯片相對比較精準地放到基板上。然后將芯片(die)和基板整體放到一個回流焊爐子里。常見的回流焊的溫度控制由圖一（b）給出。整個回流焊的時間通常在5到10分鐘。雖然時間很長，但因為這是批量處理，一個回流焊爐同時可以容納非常大量的加工產品。所以整體的吞吐量還是非常高的，通常可以達到每小時幾千顆芯片的產量，或者更高。

先進芯片封裝清洗：

合明科技研發的水基清洗劑配合合適的清洗工藝能為芯片封裝前提供潔凈的界面條件。

水基清洗的工藝和設備配置選擇對清洗精密器件尤其重要，一旦選定，就會作為一個長期的使用和運行方式。水基清洗劑必須滿足清洗、漂洗、干燥的全工藝流程。

污染物有多種，可歸納為離子型和非離子型兩大類。離子型污染物接觸到環境中的濕氣，通電后發生電化學遷移，形成樹枝狀結構體，造成低電阻通路，破壞了電路板功能。非離子型污染物可穿透PC B 的絕緣層，在PCB板表層下生長枝晶。除了離子型和非離子型污染物，還有粒狀污染物，例如焊料球、焊料槽內的浮點、灰塵、塵埃等，這些污染物會導致焊點質量降低、焊接時焊點拉尖、產生氣孔、短路等等多種不良現象。

這么多污染物，到底哪些才是最備受關注的呢？助焊劑或錫膏普遍應用于回流焊和波峰焊工藝中，它們主要由溶劑、潤濕劑、樹脂、緩蝕劑和活化劑等多種成分，焊后必然存在熱改性生成物，這些物質在所有污染物中的占據主導，從產品失效情況來而言，焊后殘余物是影響產品質量最主要的影響因素，離子型殘留物易引起電遷移使絕緣電阻下降，松香樹脂殘留物易吸附灰塵或雜質引發接觸電阻增大，嚴重者導致開路失效，因此焊后必須進行嚴格的清洗，才能保障電路板的質量。

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