一種新型FC和WLP的柔性凸點技術(shù)

摘 要：FC(倒裝片)和WLP(圓片級封裝)均要在圓片上制作各類凸點，它們與基板焊接互連后，由于各材料間的熱失配可能造成凸點——基板間互連失效，從而影響了器件的可靠性和使用壽命。解決這一問題的通常做法是對芯片凸點與基板間進(jìn)行下填充。本文介紹的柔性凸點技術(shù)是在焊球下面增加一層具有彈性的柔性材料，當(dāng)器件工作產(chǎn)生熱失配時,由于柔性材料的自由伸縮，將大大減小以至消除各材料間的失配應(yīng)力，使芯片凸點與基板下即使不加下填充，也能達(dá)到器件穩(wěn)定、長期、可靠地工作的目的。

關(guān)鍵詞：FC；FCB；WLP； 柔性凸點

中圖分類號：TN305．94 文獻(xiàn)標(biāo)識碼

1 引言

盡管各種電子產(chǎn)品中使用的封裝形式多種多樣，如DIP、PGA、SOP、QFP、BGA、CSP、FC、MCM和3D等，但作為芯片與外電路連接的方式，也僅有三種，即：絲焊(WB)、載帶自動焊(TAB)和倒裝焊(FCB)技術(shù)。

WB的歷史最悠久，應(yīng)用最廣泛，技術(shù)也最成熟，至今仍是各種封裝互連的主流；TAB應(yīng)用與WB相比則較為有限，主要在薄膜晶體管顯示器(TFT文章編號LCD)電子產(chǎn)品中使用，其次也在計算機(jī)、汽車電子、打印頭、電子手表及醫(yī)療電子上應(yīng)用；FCB將成為未來封裝互連的主流，近幾年的發(fā)展尤其令人矚目，在各類封裝領(lǐng)域中FCB取代WB成為封裝互連主流已是大勢所趨。根據(jù)調(diào)查機(jī)構(gòu)TechSearch所做的調(diào)查，全球采用FCB技術(shù)的FC 2001年僅為10億片，2003年增至20億片，2005年將突破35億片。屆時，F(xiàn)CB可望超過WB封裝互連而成為市場主流。

BGA、CSP和FC都是FCB的封裝互連形式，BGA、CSP可視為包含了豐富內(nèi)容、“放大”了的FC；而WLP則是在各種CSP中最具發(fā)展前景的，這種WLP與FC相比較，除面陣焊球引腳節(jié)距比FC的凸點節(jié)距更大些，因而更適合當(dāng)前SMT的應(yīng)用之外，在制作方法上二者幾乎無差別。只有在應(yīng)用時，往往FC與基板間要增加下填充工藝，以補(bǔ)償由于機(jī)械震動沖擊、特別是由于電源或溫度的周期變化所引起的焊點與基板間熱失配應(yīng)力。對于WLP，由于下填充工藝與安裝WLP的SMT工藝不兼容，在滿足一定可靠性要求的情況下，可以不添加下填充工藝。

在今后大量使用FC和WLP時，能否既不增加下填充工藝，又能與SMT工藝兼容，并共同提高FC和WLP的可靠性呢?這就是本文要回答的問題——一種新型FC和WLP焊接可靠性的柔性凸點技術(shù)。

2 FCB技術(shù)概覽

2．1 FCB技術(shù)的起源

FCB技術(shù)源自20世紀(jì)60年代初美國IBM公司研制開發(fā)出的在芯片—卜制作凸點的FCB技術(shù)，1964年首先制成混合集成電路(HIC)組件并用于電子計算機(jī)上。這種技術(shù)最先使用電鍍Ni-Au的Cu球，再用Pb-Sn焊料包裹，但Cu球不能太小，否則凸點難以向更小方向發(fā)展。由此，IBM公司又研制開發(fā)了不用Cu球，完全用Pb-Sn形成凸點的方法，即可控塌陷芯片連接，如圖1所示。

C4技術(shù)的開發(fā)成功，使IC芯片的FCB實現(xiàn)了多點一次性焊接互連(WB為逐點焊接互連)；Pb-Sn易于熔化再流，并可彌補(bǔ)因凸點高度不一致或基板不平而引起的高度差。FCB時由于Pb-Sn處于熔化狀態(tài)，所加的焊接壓力小，從而不易損傷芯片和焊點；特別是Pb-Sn熔化時具有較大的表面張力，使焊接具有“自對準(zhǔn)”效果，即使FCB時芯片與基板焊區(qū)對位偏移，也會在Pb-Sn再流時回到對中位置。

2．2 FCB的優(yōu)越性

20世紀(jì)80年代以來，隨著IC向LSI、VLSI的發(fā)展，其I／O數(shù)不斷增加，使?jié)M足各類電子整機(jī)和系統(tǒng)要求的電子封裝產(chǎn)品不斷提升并具有高性能、多功能、高頻高速、小型化、薄型化、輕型化、便攜化、智能化及低成本等特點，這些封裝形式從插裝型的DIP，到SMD型的SOP、QFP，再到先進(jìn)封裝BGA、CSP、FC等。QFP之前的I／O引腳為周邊型排列，只能達(dá)到數(shù)百個引腳；而BGA以后的I／O引腳則為面陣型排列，引腳即是焊球，可從數(shù)百直至數(shù)千個。特別是CSP的出現(xiàn)，使一直困擾著封裝界并往往成為封裝“瓶頸”的“芯片小而封裝大”的矛盾終于得到解
決，而今日WLP更成為各類CSP的發(fā)展主流，這就很自然地進(jìn)入更高一級的FC和FCB封裝互連階段。

在當(dāng)今飛速發(fā)展的信息化時代，WLP和FCB技術(shù)之所以受到人們的青睞，是由于與其他封裝及WB、TAB封裝互連相比，這兩種技術(shù)有其顯著的優(yōu)越性：

①能減小信號引腳電感，提高信號傳輸能力；
②可減小電源引腳電感；
③能提高信號抗干擾能力，減小信號的失真度；
④能獲得卓越的熱、電性能及可靠性；
⑤能減小電子封裝部件的尺寸；
⑥I／O引腳可全面陣排列(包括有源區(qū))，且隨著引腳節(jié)距的縮小，I／O引腳大量增加，目前已超過2500個；
⑦由于C4焊球的自對準(zhǔn)效果，對SMT安裝再流工藝更加寬松，成品率及可靠性會更高。

FC的成本問題仍是當(dāng)前使用中的關(guān)鍵因素之一，但人們相信，這種無封裝的“封裝”(裸芯片)產(chǎn)品成本，最終應(yīng)是最低的，這取決于制作FC的工藝成熟程度及產(chǎn)品的量產(chǎn)情況。

2．3 FC和WLP面臨的可靠性問題

FC和WLP在具有如上所述優(yōu)越性的同時，當(dāng)安裝到基板上，特別是PCB上時，由于當(dāng)前各類凸點制作工藝的某些缺陷，使面陣焊點的柔性較差，易受焊接疲勞失效的影響。這是各種材料的CTE(熱膨脹系數(shù))不同所致。例如Si的CTE約為3．3×10-6℃-1，而FR-4PCB其CTE約為15×10-6℃-1—-18×10-6℃-1，這樣在熱循環(huán)過程中，就會給芯片上的焊點造成較大的機(jī)械應(yīng)力，若不采取相應(yīng)措施，就會產(chǎn)生焊接疲勞和器件失效。尤其是對于大尺寸的芯片，遠(yuǎn)離芯片中心的凸點焊球(特別是芯片四角處)所受的熱應(yīng)力更大，往往容易失效。為了解決這一問題，通常采用芯片與基板問下填充環(huán)氧樹脂的辦法，但這又與SMT千藝不兼容。因為當(dāng)FC和WLP與PCB上的其他元器件一同安裝并再流后，必須“下線”進(jìn)行下填充，并使材料固化后才能繼續(xù)完成后續(xù)工藝，哪怕只安裝一個FC，也要增添同樣的工藝過程。這無疑增加了’廠藝制作成本并延長了制作周期。如何既不增加下填充工藝，又能使器件受到的熱失配應(yīng)力得以緩解或消除，從而提高可靠性，就成為FC和WLP面臨的實際問題。

3 解決FC和WLP焊接可靠性的柔性凸點技術(shù)

近幾年，國際上為解決FC和WLP焊接可靠性問題做了大量的研究開發(fā)；廠作，其中最具代表性和實用性的當(dāng)屬美國GE公司研發(fā)的柔性凸點技術(shù)，圖2所示為這種柔性凸點結(jié)構(gòu)。

3．1 柔性凸點技術(shù)

為了展示柔性凸點的優(yōu)越性的WLP凸點進(jìn)行比較。

3．1．1 典型的WLP凸點技術(shù)

典型的WLP工藝流程如圖3所示。

3．1．2 新型的FC和WLP柔性凸點技術(shù)

與上述典型的FC和WLP凸點技術(shù)相比，柔性凸點技術(shù)的關(guān)鍵是在新焊區(qū)下面增加了一層具有彈性的柔性材料，光刻后形成兩邊具有斜坡的柔性凸點，其余的工藝兩者均基本相同。其工藝流程如圖4所示。

需要指出的是，這里的工藝流程是從重布線后的圓片開始的。如果原先已鈍化圓片的焊區(qū)為周邊引出時，要變成面陣排列的I／O焊區(qū)，則須進(jìn)行重布線工藝。

另外，這里幾層材料是使用涂覆、光刻膜的制作方法，而從成本考慮，也可使用模板印制方法；制作UBM(凸點下金屬)既可以采用濺射、光刻法完成，也可以用化學(xué)鍍方法完成，而后者成本更低。

3．2 柔性凸點受力后的適應(yīng)性

FC／WLP的面陣排列I／O引腳的焊接疲勞是由各材料間的CTE差別較大引起的，加之使用中溫度變化范圍寬，其焊點結(jié)構(gòu)又缺乏緩解應(yīng)力的柔性，若不采取相應(yīng)措施(如增加下填充)，器件就可能由焊接疲勞走向疲勞失效之路。

這里制作的柔性凸點處于焊球的下面，柔性凸點具有一定的彈性，當(dāng)受到來自各方向的應(yīng)力時(主要是由熱失配引起的平面剪應(yīng)力)，柔性凸點就能產(chǎn)生相應(yīng)的一定形變，從而可緩解以至達(dá)到消除應(yīng)力的目的。圖5給出了柔性凸點在各種受力情況下的形變適應(yīng)性。

4 結(jié)束語

本文論述了FC和FCB的優(yōu)越性及其將成為封裝互連主流后面臨的問題和挑戰(zhàn)。當(dāng)前FC／WLP的面陣焊點結(jié)構(gòu)缺乏緩解各材料間因CTE差別較大而引起失配應(yīng)力的能力，而柔性凸點技術(shù)則可望能較好地解決失配應(yīng)力問題，從而使FC／WLP即使不加下填充，也能達(dá)到器件穩(wěn)定、長期可靠地工作的目的。