什么是凸塊制造（Bumping）技術(shù)
行業(yè)資訊 | 2023-04-23 16:29
凸塊制造技術(shù)是各類先進(jìn)封裝技術(shù)得以進(jìn)一步發(fā)展演化的基礎(chǔ)，在集成電路封裝中具有重要意義。倒裝（FC）、扇出型（Fan-out）封裝、扇入型（Fan-in）封裝、芯片級(jí)封裝（CSP）、三維立體封裝）（3D）、系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）等先進(jìn)封裝結(jié)構(gòu)與工藝實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)均涉及凸塊制制造技術(shù)。硅通孔技術(shù)（TSV）、晶圓級(jí)封裝（WLP）、微電子機(jī)械系統(tǒng)封裝（MEMS）等先進(jìn)封裝結(jié)構(gòu)與工藝均是凸塊制造技術(shù)的演化和延伸。
凸塊制造技術(shù)（Bumping）是在芯片上制作凸塊，通過在芯片表面制作金屬凸塊提供芯片電氣互連的“點(diǎn)”接口，廣泛應(yīng)用于 FC、WLP、CSP、3D 等先進(jìn)封裝。凸塊是定向生長于芯片表面，與芯片焊盤直接相連或間接相連的具有金屬導(dǎo)電特性的凸起物。凸塊工藝介于產(chǎn)業(yè)鏈前道集成電路制造和后道封裝測試之間，是先進(jìn)封裝的核心技術(shù)之一。凸塊制造過程一般是基于定制的光掩模，通過真空濺鍍、黃光、電鍍、蝕刻等環(huán)節(jié)而成，該技術(shù)是晶圓制造環(huán)節(jié)的延伸，也是實(shí)施倒裝（FC）封裝工藝的基礎(chǔ)及前提。相比以引線作為鍵合方式傳統(tǒng)的封裝，凸塊代替了原有的引線，實(shí)現(xiàn)了"以點(diǎn)代線"的突破。該技術(shù)可允許芯片擁有更高的端口密度，縮短了信號(hào)傳輸路徑，減少了信號(hào)延遲，具備了更優(yōu)良的熱傳導(dǎo)性及可靠性。此外，將晶圓重布線技術(shù)（RDL）和凸塊制造技術(shù)相結(jié)合，可對(duì)原來設(shè)計(jì)的集成電路線路接點(diǎn)位置(I/O Pad)進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，使集成電路能適用于不同的封裝形式，封裝后芯片的電性能可以明顯提高。凸塊制造技術(shù)起源于 IBM 在 20 世紀(jì) 60 年代開發(fā)的 C4 工藝，即"可控坍塌芯片連接技術(shù)"(Controlled Collapse Chip Connection')，該技術(shù)使用金屬共熔凸點(diǎn)將芯片直接焊在基片的焊盤上，焊點(diǎn)提供了與基片的電路和物理連接，該技術(shù)是集成電路凸塊制造技術(shù)的雛形，也是實(shí)現(xiàn)倒裝封裝技術(shù)的基礎(chǔ)，但是由于在當(dāng)時(shí)這種封裝方式成本極高，僅被用于高端 IC 的封裝，因而限制了該技術(shù)的廣泛使用。(a) IBM 的首個(gè)具有 3 個(gè)端子晶體管的倒裝芯片組件；(b) IBM 首個(gè)在陶瓷基板上的倒裝芯片組件（3 個(gè)芯片）C4 工藝在后續(xù)演化過程中逐漸被優(yōu)化，如采用在芯片底部添加樹脂的方法，增強(qiáng)了封裝的可靠性。這種創(chuàng)新使得低成本的有機(jī)基板得到了發(fā)展，促進(jìn)了 FC 技術(shù)在集成電路以及消費(fèi)品電子器件中以較低成本使用。此外，無鉛材料得到了廣泛的研究及應(yīng)用，凸塊制造的材料種類不斷擴(kuò)充。在 20 丗紀(jì) 80 年代到 21 世紀(jì)初，集成電路產(chǎn)業(yè)由日本轉(zhuǎn)移至韓國、中國臺(tái)灣，集成電路細(xì)分領(lǐng)域的國際分工不斷深化，凸塊制造技術(shù)也逐漸由蒸鍍工藝轉(zhuǎn)變?yōu)闉R鍍與電鍍相結(jié)合的凸塊工藝，該工藝大幅縮小了凸塊間距，提高了產(chǎn)品良率。近年來，隨著芯片集成度的提高，細(xì)節(jié)距（Fine Pitch）和極細(xì)節(jié)距（Ultra Fine Pitch）芯片的出現(xiàn)，促使凸塊制造技術(shù)朝向高密度、微間距方向不斷發(fā)展。凸塊制造技術(shù)是諸多先進(jìn)封裝技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)和進(jìn)一步發(fā)展演化的基礎(chǔ)，經(jīng)過多年的發(fā)展，凸塊制作的材質(zhì)主要有金、銅、銅鎳金、錫等，不同金屬材質(zhì)適用于不同芯片的封裝，且不同凸塊的特點(diǎn)、涉及的核心技術(shù)、上下游應(yīng)用等方面差異較大，具體情況如下：金凸塊，Gold Bumping，是一種利用金凸塊接合替代引線鍵合實(shí)現(xiàn)芯片與 基板之間電氣互聯(lián)的制造技術(shù)，主要用于顯示驅(qū)動(dòng)芯片封裝。金凸塊制造技術(shù)主要用于顯示驅(qū)動(dòng)芯片的封裝，少部分用干傳感器、電子標(biāo)簽類產(chǎn)品。目前，LCD、AMOLED 等主流顯示面板的驅(qū)動(dòng)芯片都離不開金凸塊制造工藝，后續(xù)可通過倒裝工藝將芯片倒扣在玻璃基板（Glass）、柔性屏幕（Plastic）或卷帶（Film）上，利用熱壓合或者透過導(dǎo)電膠材使凸塊與線路上的引腳結(jié)合起來。銅鎳金凸塊，CuNiAu Bumping，是一種可優(yōu)化 I/O 設(shè)計(jì)、大幅降低了導(dǎo)通電阻的凸塊制造技術(shù)，凸塊主要由銅、鎳、金三種金屬組成，可在較低成本下解決傳統(tǒng)引線鍵合工藝的缺點(diǎn)。在集成電路封測領(lǐng)域，銅鎳金凸塊屬于新興先進(jìn)封裝技術(shù)，近年來發(fā)展較為迅速，是對(duì)傳統(tǒng)引線鍵合（Wire bonding）封裝方式的優(yōu)化方案。具體而言，銅鎳金凸塊可以通過大幅增加芯片表面凸塊的面積，在不改變芯片內(nèi)部原有線路結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)之上，對(duì)原有芯片進(jìn)行重新布線（RDL），大大提高了引線鍵合的靈活性。此外，銅鎳金凸塊中銅的占比相對(duì)較高，因而具有天然的成本優(yōu)勢。由于電源管理芯片需要具備高可靠、高電流等特性，且常常需要在高溫的環(huán)境下使用，而銅鎳金凸塊可以滿足上述要求并大幅降低導(dǎo)通電阻，因此銅鎳金凸塊目前主要應(yīng)用于電源管理類芯片。銅柱凸塊，Cu Pillar，是一種利用銅柱接合替代引線鍵合實(shí)現(xiàn)芯片與基板之間電氣互聯(lián)的制造技術(shù)。銅柱凸塊技術(shù)是新一代芯片互連技術(shù)，后段適用于倒裝（FC）的封裝形式，應(yīng)用十分廣泛。銅柱凸塊技術(shù)是在覆晶封裝芯片的表面制作焊接凸塊，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的打線封 裝，可以縮短連接電路的長度、減小芯片封裝體積，使其具備較佳的導(dǎo)電、導(dǎo)熱和抗電子遷移能力。銅柱凸塊制造主要步驟包括再鈍化、真空濺鍍、黃光、電鍍、蝕刻等，具體工藝流程圖如下：錫凸塊Sn Bumping，是一種利用錫（Sn）接合替代引線鍵合實(shí)現(xiàn)芯片與基板之間電氣互聯(lián)的制造技術(shù)。錫凸塊結(jié)構(gòu)主要由銅焊盤（Cu Pad）和錫帽（SnAg Cap）構(gòu)成（一般配合再鈍化和 RDL 層），錫凸塊一般是銅柱凸塊尺寸的 3~5 倍，球體較大，可焊性更強(qiáng)（也可以通過電鍍工藝，即電鍍高錫柱并回流后形成大直徑錫球），并可配合再鈍化和重布線結(jié)構(gòu)，主要用于 FC 制程。錫凸塊技術(shù)可以為電鍍焊錫或植球焊錫，一般情況下，電鍍焊錫尺寸可控制的更小。錫凸塊多應(yīng)用于晶圓級(jí)芯片尺寸封裝，可以達(dá)到小尺寸封裝，滿足封裝輕、薄、短、小的要求。半導(dǎo)體成為人們?nèi)粘Ｉ钭钪匾慕M成部分。關(guān)注福訊電子，為您帶來更多行業(yè)前沿咨訊。
