浅谈引线框架上倒装芯片的封装

王国励，何乃辉，王立国

(天水华天科技股份有限公司袁甘肃天水741000)

摘

要院阐述了倒装芯片(FC)封装产品的凸点制作过程与封装流程袁并重点介绍倒装产品在传统

封装过程中遇到的难点袁从工艺的角度提出了相应的改善措施袁确保倒装产品在封装过程的稳定性袁从而满足产品的可靠性需求遥关键词院倒装焊曰凸点曰封装中图分类号院TN405.97

文献标识码院B

文章编号院1004-4507(2019)04-0005-05

DiscussiononthePackageofFlipChiponLeadFrameProducts

WANGGuoli，HENeihui，WANGLiguo

(TianshuiHuatianTechnologyCo.，Ltd，Tianshui741000，China)

Abstract:Thispaperdescribestheproductionprocessofbumpflipchipassemblyproductsanditspackagingflow，andfocusesonencounteringdifficultiesintheflipchipproductsinthetraditionalassemblyprocess，thecorrespondingimprovementmeasuresareputforwardwithrespectoftheprocess，toensurethestabilityofflipchipproductsinpackagingprocess，soastosatisfythereliabilitydemandofproduct.

Keywords:Flipchip；Bumping；Assemblyandpackage

随着外形比较小和功能比较多的低成本电子设备的需求继续增长，以及倒装芯片（FC，FlipChip）本身固有的低信号自感应和较快的传输速度，使得FC封装技术在芯片封装中被大量采用，受到众多封装厂的青睐，同时能降低制造成本，FC封装可达到相对于传统表面贴装元件包装，能获得更大的成本效益。这迎合了微电子封装技术追求更高密度、更小尺寸、更快处理速度、更高可靠性和更经济的发展趋势[1]。

收稿日期院2019-06-03

1倒装芯片产品凸点制作与封装流程

倒装芯片产品的芯片钎料以及凸点对钎料的要求高，钎料的材料要有良好的重熔性能，由于其中重熔过程中具有自对准及收缩能力，有利于良好的钎料凸点的形成。因此，FC产品应用的要求不同及所选钎料的材料不同，凸点的制作方法也不同。

Aug援圆019（总第277期）5先进封装技术与设备1.1FC芯片凸点的制作

FC产品的凸点制作工艺如图1所示。

EquipmentforElectronicProductsManufacturing电子工业专用设备封装后凸点的可靠性。制作UBM层首先要对靶材与基板进行清洗，进行反溅射清除基片表面的粘污和金属氧化物，确保铝压点和钝化层粘附良好，其次是溅射粘附层与扩散阻挡层，这两层我们一般选择大约150nm的Cu，它可以有效地阻止凸点材料进入铝层，防止不利的、降低键合强度甚至导致键合失效的金属间化合物产生。在进行回流焊会焊点退火等高温处理时，必须能使凸点材料不穿透UBM层而进入其下面的Al压焊点。除此之外，UBM层还必须具有良好的机械性能、导热性和电性能。

倒装芯片虽然存在各种差异，但基本结构都是由集成电路（IC）、焊台基层金属化（UBM，Un-der-BumpMetallurgy)和凸点组成。UBM是在芯片焊盘与凸点之间的金属化过渡层，主要起粘附和扩散阻挡的作用，它通常由粘附层、扩散阻挡层和浸润层等多层金属膜组成。目前通常采用溅射、蒸发、化学镀、电镀等方法来形成UBM，所以UBM层的制作是凸点制作的关键工艺之一，其好坏将直接影响凸点的质量，以及倒装焊接的成品率和

Incomingwafer

（1）晶片来料PIcoating：10滋m

（2）聚酰亚胺涂层(10滋m)PIexposureanddevelopment

（3）聚酰亚胺曝光

Sputter：1KATi-4KACu

（4）溅射Photocoating：90滋m

（5）光涂层(90滋m)Photoexposureanddevelopment

（6）曝光显影

Cuplating：65滋m

（7）镀铜(65滋m)Solderplating：25滋m

（8）焊料涂层(25滋m)Photostripping

（9）光剥离

Under-bumpmetallurgyetching

（10）凸点蚀刻Solderreflow

（11）回流焊图1FC产品凸点制作工艺

1.2FC产品的封装流程

FC芯片的封装流程和传统焊线封装基本相同，主要区别在于少了引线键合（WB，Wirebond）

晶圆进料检查

晶圆固定

工序，多了回流焊（Reflow）工序。FC芯片的基本封装流程如图2所示。

FC封装与WB封装主要区别如下：

晶圆固定

晶圆切割

背部研磨

电镀成型后固化塑封回流焊FC键合

传统的封装程序测试产品包装及运输

图2FC芯片的封装流程

6（总第277期）Aug援2019EquipmentforElectronicProductsManufacturing电子工业专用设备先进封装技术与设备WB封装的主要工序流程如图3所示。

上芯

键合

塑封

良好的焊接质量，在回流焊的过程中选择氮气作为保护气体。

在回流焊的过程中，回流环境惰性化是怎样影响焊接过程的？焊接中助焊剂的目的是将焊接物体表面的氧化物去掉。由于热量是氧化的催化剂，焊接时，融化焊球需要热量，所以回流焊接过程中不可能消除热量，这就需要通过惰性气体的保护来抑制焊接过程的氧化，改善熔锡的表面张力，从而达到理想的焊接效果。

回流焊的温度曲线共包括预热、浸润、回流和冷却4个部分，在贴装工艺之后，通过一个空气对流炉，来回流共晶焊锡球，形成电气连接。炉温设定按标准的表面贴装温度曲线设定，将氮气压力控制在0.2～0.5MPa，控制氮气的流速可以提供良好的热传导，避免在回流焊过程中造成焊球的浸润不良。在回流焊过程中对氮气中氧含量的控制，可以通过提高氮气气源质量，增加氮气压力和加大氮气的使用量，来保证控制氧含量在100×10-6以下，氧含量过大会引起虚焊。因此，还需要将进出口的氮气流量加大，减少中间区域的氮气流量，这样效果会更好。但是，在回流炉的进口处过大的氮气流速可能引起芯片偏移出焊盘，为此，可以通过增加分流板来防止气流直接冲击芯片。FC芯片回流参考曲线如图5所示，温度上升斜率和下降斜率控制在＜2℃/s。

图3WB封装主要工序流程图

WB封装3个主要工序处于不同工位，非联机工作，相对于联机工作来说，不仅生产效率低，而且测试良品率也稍低。

FC封装的主要工序流程如图4所示。

倒

装上芯机

轨道

回流焊炉

轨道

全自动包封机

图4FC封装的主要工序流程图

FC封装的3个主要工序处于同一工区，三机联机工作，生产效率高，测试良品率也较高。

2FC芯片封装过程的难点及解决方案

2.1回流焊

在FC芯片封装过程中，为了改善回流焊的质量和成品率，防止或减少氧化，提高焊接润湿力，加快润湿速度，减少锡球的产生，避免桥接，得到

25020015010050000Z1Z2Z310087Z4Z5Z6Z7Z8200300173260时间/s

图5回流焊曲线

Z9Z104003472.2塑封空洞

引线框架上倒装芯片(Flipchiponleadframe)的底部填料对装配的长期可靠性要求高。底部填充材料是一种适用于倒装芯片电路的单组分环氧树脂材料，由于芯片与管脚之间的间隙只有几十微米，因此要求材料的黏度极低，流动性要强，颗粒度要小，同时也是可固化包封材料。用底部填充

材料的目的在于降低硅芯片和管脚之间的热膨胀系数的不匹配，可以很好地把热膨胀差异带来的集中在焊点周围的应力分散到整个芯片所覆盖的范围，同时可以保护器件不受潮气、震动等有害的环境因素影响，增强引线框架上倒装芯片封装的可靠性。

环氧材料作为倒装芯片的底部填充材料的基

Aug援圆019（总第277期）7先进封装技术与设备EquipmentforElectronicProductsManufacturing电子工业专用设备材，焊台（bump）区域空洞问题的解决，可以大大降低许多芯片键合发生空洞问题的概率。空洞产生的主要原因在于：

由于芯片与管脚之间的间

隙很小，只有几十微米，塑粉颗粒太大，会造成塑粉颗粒夹在芯片与基板之间，堵住进胶口，造成芯片与管脚之间有空隙，所以对塑粉颗粒的大小，必须给予严格管控；去除吸附的湿气。有机的封装材料表面吸附的湿气是导致固化后产生空洞的主要原因。芯片及线路板的表面都有可能附着湿气，特别是当空洞存在于两个邻近的锡球之间时，在回流过程中，焊锡可能流入空洞的区域，当空洞延伸到邻近的焊球时，就会直接导致短路，在做塑封前烘烤芯片可以除去湿气产生的空洞。引线框架上倒装芯片封装空洞的检测方法不同于传统封装

的检测方法，需要先通过T-SCAN扫描，再通过C-SCAN扫描确认。2.3碎片渊Chipping冤问题

晶圆切割的流程为减薄、切割、UV照射、崩片，关键是在切割过程，FC晶圆由于芯片表面生长凸点后，晶圆在减薄后容易发生翘曲，加上硅材料的脆性，机械切割方式会对晶圆的正面和背面产生机械应力，这样在切割过程中，由于应力得以释放，极易造成碎片（Chipping）问题（如图6所示）。初始的芯片边缘裂隙会在后续的封装过程中或在产品的使用中会进一步扩散，从而引起芯片断裂。另外，如果崩角进入芯片保护电路内部，芯片的电性能和可靠性都会受到影响。

图6碎片渊Chipping冤缺陷

封装工艺设计规则限定崩角不能进入芯片的密封圈，如果将崩角的大小作为评定晶圆切割质

Cpk=[(D-FSC)/(3滓chip)]

街区宽

D1

刀痕宽

D2

量能力的指标，则可用公式来计算晶圆切割能力指数CPK，如图7所示，其中D1&D2代表划片道中保留完整的部分，FSC指正面崩角的大小，根据封装工艺设计规则，D1、D2的最小值可以为0，允许崩角存在的区域宽度D为（街区宽度-刀痕宽度)/2，FSC为D1、D2的平均值，滓chip为D1、D2的方差。按照统计学原理，对于一个合格的划片工艺而言，其切割能力指数应大于1.5[3]。

为了得到完美的划片质量，在划片过程中，可以选择双刀划片来实现，双刀选择的关键参数如表1。

图7晶圆切割能力指数计算公式

表1双刀划片参数对比

Z1刀

Z2刀

刀片型号SD3500-CCSD4000-BA

切割深度/芯片厚度

60%40%

刀片颗粒度3000#4000#

粘合剂硬度

软硬

划片刀厚度/滋m

2819

划片刀颗粒度

3500#4000#

渊下转第24页冤

8（总第277期）Aug援2019半导体制造工艺与设备GetFurnace3();END_IF

IFFurnace4RCPFinished()THEN

GetFurnace4();END_IFEND_IF

EquipmentforElectronicProductsManufacturing电子工业专用设备参考文献院

[1]

唐君豪，王志辉，聂俊杰.基于EtherCAT的金刚线多线切割机控制系统研究[J].机械设计与制造，2017(9)：105-112.

[2][3]

张群.一种实时以太网EtherCAT介绍[J].电子世界，2012(22)：15-16.

张宏.EtherCAT工业以太网通讯技术在机器人生产线控制系统中的应用[J].有色金属加工，2014，43(2)：57-60.

4结束语

本文介绍了一种基于EtherCAT总线机器人的结晶自动线控制系统，详细分析了子系统的硬件、EtherCAT总线通信原理、系统的软件设计。并给出了系统的流程图及部分代码。该系统已在手机生产线实际应用，满足工艺要求，能够长期稳定、可靠地运行。

[4]金林.基于EtherCAT总线焊接机器人控制系统研究[D].广州：华南理工大学，2013．

作者简介院

周水清（1986－），男，湖南长沙人，工程师，毕业于中南大学，主要从事半导体设备研究与设计、调试等工作。

渊上接第8页冤

双刀划片后的示意图如图8所示。双刀划片后，芯片边缘检查如图9所示。

Z1刀切槽

芯片

UV膜

的性能，提供了更好的热导率和散热面积。在此覆晶工艺基础上，可以方便实现高亮度需求的多芯片集成、模组等产品，充分发挥覆晶工艺的高良品率、高可靠性的优势。随着电子产品体积的进一步缩小，FC封装芯片的应用范围越来越广[2]，封装形式更趋多样化，对FC封装技术的要求也随之提高。同时FC也对芯片封装技术工艺提出了新的挑战。

Z2刀切槽

图8双刀划片示意图

参考文献院

[1][2][3]

杨建生，陈建军.先进微电子封装技术(FC、CSP、BGA)发展趋势概述[J].集成电路应用，2003(12)：64-74.贾松良.微电子封装的发展及封装标准[J].信息技术与标准化，2003(3)：35-37.

王志杰.Lowk铜工艺半导体封装工艺的开发和优化[Z].飞思卡尔半导体（中国）公司，2007.13.

图9双刀划片后芯片边缘照片

3结束语

FC焊接技术既是一种芯片互连技术，又是一种理想的芯片粘接技术，是当今先进的微电子封装技术之一。无焊线的覆晶封装技术可以有效地避免焊线带来的各种问题，具有更好的散热和耐大电流24（总第277期）Aug援2019作者简介院

王国励（1978－），男，甘肃天水人，工程师，主要负责IC工艺研究及可靠性改善。

何乃辉（1974－），男，四川南充人，工程学士，工程师，主要负责半导体封装运营和技术支持。

王立国（1981－），男，陕西咸阳人，学士学位，工程师，主要负责FC产品的失效分析及可靠性研究。