用于圓片級封裝的金凸點(diǎn)研制

王水弟，蔡堅(jiān)，譚智敏，胡濤，郭江華，賈松良(清華大學(xué)微電子學(xué)研究所，北京 100084)

摘要：介紹了電鍍法進(jìn)行圓片級封裝中金凸點(diǎn)制作的工藝流程，并對影響凸點(diǎn)成型的主要工藝因素進(jìn)行了研究。凸點(diǎn)下金屬化層(UBM，under bump metallization)濺射、厚膠光刻和厚金電鍍是其中的工藝難點(diǎn)，通過大量的實(shí)驗(yàn)研究，確定了TiW／Au的UBM體系，得到了優(yōu)化的厚膠光刻工藝。同時，研制了用于圓片級封裝金凸點(diǎn)制作的垂直噴鍍設(shè)備，選用不同的電鍍液體系和光刻膠體系，對電鍍參數(shù)進(jìn)行了控制和研究。對制作的金凸點(diǎn)與國外同類產(chǎn)品的基本特性進(jìn)行了對比，表明其已經(jīng)達(dá)到可應(yīng)用水平。

關(guān)鍵詞：金凸點(diǎn)；凸點(diǎn)下金屬化層；厚膠光刻；電鍍；噴鍍

中圖分類號：TN305．94 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號1003-353X(2004)04-0027-04

1 前言

近五年來，平面顯示器和便攜式電子產(chǎn)品這兩個產(chǎn)業(yè)得到快速發(fā)展。手機(jī)、電子字典、PDA、數(shù)碼相機(jī)等電子產(chǎn)品，由于小巧玲瓏、多功能和使用方便， 已成為現(xiàn)代人日常生活不可缺少的產(chǎn)品。由于大型平面顯示器具有輕、薄、無輻射和高解析度的優(yōu)點(diǎn)，已正在逐步取代傳統(tǒng)的電視和監(jiān)視器，IDC對ICD市場的分析說明了這一點(diǎn)，見表1。

無論是小的手機(jī)顯示屏，還是大的液晶監(jiān)視器，都需要驅(qū)動器芯片，少則一、兩個，多則十幾個。LCD驅(qū)動器的特點(diǎn)是芯片面積小，一般為(20～30)mm2左右，但是它的I／O端數(shù)量較多，約在200～300個以上。圖1所示的一款LCD驅(qū)動器，管芯面積只有31．32mm’，芯上有324個I／O。如果用傳統(tǒng)的IC封裝技術(shù)封裝這類芯片，顯然體積大、重量重，不適合便攜式電子產(chǎn)品對元器件短、小、輕、薄的要求，所以現(xiàn)在都是采用在硅芯片的壓焊塊上制作金凸點(diǎn)作為引出端，然后直接倒裝焊在液晶顯示屏上(COG)。

這種在芯片鋁壓焊塊上制作金凸點(diǎn)作為I／O引出端的封裝形式具有45～70皿m左右的窄節(jié)距和15-25μm小間距的優(yōu)點(diǎn)，所以越來越受到封裝界的重視。圖2是兩個制作有金凸點(diǎn)的IC分別安裝在基板的兩側(cè)，再以BGA的形式封裝，顯然這種封裝形式使芯片的封裝密度大大提高，在PCB板上占很小的面積。

2 金凸點(diǎn)的制作

在硅芯片上制作金凸點(diǎn)的方法有電鍍法和釘頭法等。由于電鍍法制作金凸點(diǎn)具有適合I／O端數(shù)多、凸點(diǎn)尺寸可大可小和可以實(shí)現(xiàn)園片級封裝(WLP)等優(yōu)點(diǎn)，所以目前大多數(shù)金凸點(diǎn)制作采用電鍍法。普通IC制造工藝的最后一步工序是光刻鈍化層，露出鋁電極。在硅圓片上電鍍法制作金凸點(diǎn)就是在刻完鈍化層后進(jìn)行，主要工藝步驟如圖3所示，其中濺射UBM、厚膠光刻和厚金電鍍是3個關(guān)鍵的技術(shù)。

2．1 濺射UBM

凸點(diǎn)下金屬通常由三層金屬組成：粘附層、阻擋層和浸潤層，它又是電鍍的種子層。它要求同下面的鋁壓焊塊有很好的粘附性，能有效地阻止Au凸點(diǎn)同A1、Si之間的相互擴(kuò)散，避免Au同A1生成不利的金屬間化合物，更不能讓Au離子進(jìn)入硅內(nèi)，影響MOS器件的性能。

可以滿足上述用途的材料很多，通過實(shí)驗(yàn)，我們選用TiW／Au作為制造金凸點(diǎn)的UBM材料[2]，其厚度分別為TiW200-300nm和Aul00-200nm。

2．2 厚膠光刻

光刻是IC制造工藝中的常規(guī)工序，整個制程中要經(jīng)過幾次甚至幾十次光刻，但是這類光刻工序中的光刻膠厚度一般只有幾百納米，即使作為離子注入工序中起掩蔽作用的光刻膠，厚度也只有1μm左右。而金凸點(diǎn)的高度是17μm±1．5μm，光刻膠的厚度應(yīng)該在25μm左右，因此它需要采用粘稠度大的光刻膠、特殊的勻膠機(jī)和焦深深的曝光機(jī)。

電鍍法制作焊料球(如PbSn球)也需要厚膠光刻，但是焊料球在電鍍后還有高溫回流的工序，所以它對光刻孔的陡直度要求不高。電鍍法制造金凸點(diǎn)卻不同，雖然光刻膠沒有像做焊料球那樣厚，但是要求光刻后電鍍孔的側(cè)壁陡直，側(cè)壁角要＞85°(如圖4所示)，因?yàn)榻鹜裹c(diǎn)的形狀基本上由光刻后電鍍孔的形狀所決定。如果光刻后電鍍孔的形狀像圖5那樣，就不可能電鍍出合格的金凸點(diǎn)。

2．3 厚金電鍍

鍍金工藝已有悠久的歷史，很多行業(yè)都需要它，包括電子行業(yè)中的管殼都需要鍍金，但是這些鍍金工藝同金凸點(diǎn)的電鍍相差甚遠(yuǎn)。圓片級封裝制作金凸點(diǎn)實(shí)際上是在整個硅圓片上進(jìn)行局部電鍍。像LCD驅(qū)動器，每個金凸點(diǎn)的尺寸為50μm×l08μm×17μm，凸點(diǎn)的間距為20μm，整個硅園片內(nèi)凸點(diǎn)的均勻度應(yīng)控制在±2．5μm，管芯內(nèi)凸點(diǎn)的均勻度則需控制在±1．5μm，顯然現(xiàn)有的鍍金裝置和鍍金工藝不能達(dá)到上述特殊的要求。為此，我們研制了一臺垂直噴鍍機(jī)[13]，圖6是該噴鍍機(jī)的外形。

傳統(tǒng)的電鍍方式是掛鍍，即陽極和作為陰極的被鍍件分別浸入電鍍液內(nèi)，位置相對而放。電鍍時通?；蝿颖诲兗?，以便讓新鮮的電鍍液及時補(bǔ)充到被鍍件的表面。垂直噴鍍機(jī)是被鍍的硅片正面朝下，電鍍液從下面垂直向上噴到硅片的中央，然后向硅片四周流出。

電鍍機(jī)的關(guān)鍵部件是電鍍杯，通過計(jì)算機(jī)模擬，設(shè)計(jì)了具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)的電鍍杯(已授予中國專利權(quán))，再加上采用脈沖電源、全氟材料和無氰電鍍液等措施，保證了電鍍的質(zhì)量。

3 工藝優(yōu)化

光刻膠有正性光刻膠和負(fù)性光刻膠兩種，厚刻的曝光量、厚膠的前烘和堅(jiān)膜以及顯影條件等各種工藝參數(shù)都影響光刻圖形的質(zhì)量。鍍金有有氰電鍍和無氰電鍍之分，電鍍時的電流密度、電鍍液的溫度和流量等參數(shù)也都會影響金凸點(diǎn)的質(zhì)量，因此，必須進(jìn)行工藝優(yōu)化。

LCD驅(qū)動器電路設(shè)計(jì)的兩個凸點(diǎn)間的間距是20μm，為了防止在用ACF粘接時相鄰金凸點(diǎn)間短路，就必須嚴(yán)格控制金凸點(diǎn)制作過程中的橫向擴(kuò)展[4]。圖7是分別用有氰電鍍和無氰電鍍制作的金凸點(diǎn)橫向擴(kuò)展比較結(jié)果。由圖可見無氰電鍍9V金凸點(diǎn)橫向擴(kuò)展比有氰電鍍的小。

實(shí)驗(yàn)證明，不同的光刻膠對于凸點(diǎn)的橫向尺寸控制有很大的差別。圖8和圖9是在同一臺噴鍍機(jī)上用無氰鍍金液電鍍的金凸點(diǎn)，但是圖8是用某種進(jìn)口的正性光刻膠制作的金凸點(diǎn)，圖9是用某種進(jìn)口的負(fù)性光刻膠制作的金凸點(diǎn)。對于同樣是50μm×108μm的光刻電鍍孔，實(shí)際電鍍后的金凸點(diǎn)尺寸兩者差別很大。用正膠光刻制作的金凸點(diǎn)在長、寬兩個方向上分別比設(shè)計(jì)尺寸擴(kuò)展了10％和16％，見圖8所示。而從圖9可知，用負(fù)膠光刻制作的金凸點(diǎn)在長、寬兩個方向分別比設(shè)計(jì)尺寸只擴(kuò)展了1％和2％，實(shí)驗(yàn)表明用該負(fù)性光刻膠制作的金凸點(diǎn)不但橫向尺寸控制得比較好，而且電鍍出來的金凸點(diǎn)側(cè)壁陡直度也很好，見圖10。

4 結(jié)論

圓片級封裝中采用電鍍法制作金凸點(diǎn)有著廣闊的應(yīng)用前景，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)和工藝優(yōu)化，已掌握了其中的關(guān)鍵技術(shù)，并已實(shí)際應(yīng)用到手機(jī)LCD驅(qū)動器的芯片上，表2是實(shí)際制作的金凸點(diǎn)測試數(shù)據(jù)同國外同類產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)比較。