【半导光电】先进封装之芯片热压键合简介 天天热门

回顾过去五六十年，先进逻辑芯片性能基本按照摩尔定律来提升。提升的主要动力来自三极管数量的增加来实现，而单个三极管性能的提高对维护摩尔定律只是起到辅佐的作用。随着SOC的尺寸逐步逼近光罩孔极限尺寸(858mm2)以及制程的缩小也变得非常艰难且性价比遇到挑战, 多芯片封装技术来到了舞台的中心成为进一步提升芯片性能的关键。覆晶键合技术已然成为先进多芯片封装最重要的技术之一。

尽管某些基于晶圆级或者面板级扇出型封装的工艺流程可以不用到覆晶封装，但是这个技术方向有其自己的应用局限性。比如其目前量产重布线层的层数大多在五层以内，使其不太适合服务器芯片的封装。如今最常见的基于焊球的覆晶键合封装技术一共有三种：回流焊（mass reflow）, 热压键合（Thermo Compression Bonding or TCB）和激光辅助键合（Laser Assisted Bonding, or LAB）。基于铜铜直接键合的覆晶封装不在这个文章的讨论重点，我们会在后续的文章中讨论目前最具希望能进一步缩小的bump间距（bump pitch scaling down）的方法，比如混合键合（Hybrid bonding）和铜铜直接热压键合等等。

(资料图片仅供参考)

热压键合工艺的基本原理与传统扩散焊工艺相同，即上下芯片的Cu 凸点对中后直接接触，其实现原子扩散键合的主要影响参数是温度、压力、时间. 由于电镀后的Cu 凸点表面粗糙并存在一定的高度差，所以键合前需要对其表面进行平坦化处理，如化学机械抛光(chemical mechanical polishing,CMP)，使得键合时Cu 表面能够充分接触. 基于目前研究文献，通过热压键合工艺实现Cu-Cu 低温键合的方法从机理上可分为两类，即提高Cu 原子扩散速率和防止/减少待键合Cu 表面的氧化.

表一在high level总结了这三种基于焊球的覆晶键合封装技术的优缺点。可以看到没有一种键合方式是完美的。对于某个产品来说，任务是要找到最合适的键合方法。作为本文的重点，热压键合最大的优势是对die和基板（可以是substrate, another die or wafer or panel）的更为精准的控制。

表一：基于焊球的覆晶键合技术

接下来我们着重讨论一下高端的逻辑芯片的键合方式为什么逐步从回流焊键合过渡到热压键合。图一（a）给出了一种常见的回流焊芯片键合流程。先将芯片上的bumps沾上助焊剂（flux）或者在基板上的C4 (controlled-collapse chip connection)区域喷上定量的助焊剂。然后用贴片设备将芯片相对比较精准地放到基板上。然后将芯片(die)和基板整体放到一个回流焊炉子里。常见的回流焊的温度控制由图一（b）给出。整个回流焊的时间通常在5到10分钟。虽然时间很长，但因为这是批量处理，一个回流焊炉同时可以容纳非常大量的加工产品。所以整体的吞吐量还是非常高的，通常可以达到每小时几千颗芯片的产量，或者更高。

根据所使用的回流锡膏的种类，回流温度的峰值一般控制在240ºC到260ºC。在回流键合后通常我们需要去除助焊剂和加CUF (Capillary Underfill毛细管底部填充料)来填充bump之间的空隙来提供产品的可靠性。常见的回流焊过程中，我们不对芯片和基板做过多限制。这导致芯片和基板的曲翘得不到有效的控制，使得在芯片与基板之间的距离（chip gap height）在芯片面下的变化非常大。过大的曲翘导致NCO（noncontacted opening 虚焊）和SBB（solder ball bridging 桥接）这两类最为常见的缺陷。基于回流焊的复杂多芯片键合的良品率可能非常的低，使得回流焊不再是最合适的键合方式。

回流焊芯片键合的良品率跟诸多因素有关，常见的有芯片大小和厚度，bump间距（pitch），基板的厚度，热膨胀系数（CTE）的不匹配（mismatch），如图二所示。同时bump pitch的进一步减小也进一步增加SBB的概率。另外值得指出的是，即使没有发生NCO和SBB缺陷，过大的chip gap height变化和过大的曲翘对下游的封装步骤也带来了巨大的挑战。

图一：常见的回流焊芯片键合流程

图二：常见的回流焊芯片键合的良品率和芯片大小和厚度的关系

在基板的C4区域喷涂上足量的助焊剂 。

将bond head加热到150ºC到200ºC之间，并用bond head去Pick up芯片。

用up-looking和down-looking相机来确定芯片和基板的相对位置，通过校准过的算法算出芯片所需的空间位置调整来完全对照基板的bumps，通过设备上精密的机械控制来完成这个步骤。

然后将bond head连带吸附的芯片一起以sub um的精度靠近基板。此时芯片和基板都处在锡球融化温度以下，所以锡球都是固体。锡球可以是在基板上也可以在芯片上或者两者都有。

在下降过程中bond head一直处在压力敏感控制，既进行着非常灵敏且实时的力测量。

当芯片和基板接触的那瞬间，系统探测到一个压力上的变化，从而判断接触发生同时迅速将 bond head从压力敏感控制转为压力和位置共同控制。

此时通过bond head上的加热装置迅速将芯片加热至300ºC以上。值得指出的是热压键合的温度变化率一般都是在100 ºC/s。相比之下，回流焊键合的温度变化率要低很多，通常在2 ºC/s。

当锡球处于熔融状态时，通过bond head对芯片的精确位置控制来确保每对bumps都键合上，且将chip gap height控制在合理的范围内。值得指出的是，在加热的过程中，真个系统都会热膨胀，这部分的膨胀需要bond head位置的精确控制来抵消。

将bond head的温度迅速冷却至锡球熔点以下，使得锡球变为固相。通常冷却温度变化率要比加热温度变化率要低一些，通常在−50 °C/s。

关闭bond head对芯片的真空吸附，芯片跟bond head分离。芯片键合在基板上移出热压键合设备，键合完成。

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