1 引言

半导体封装工艺正朝向倒装芯片技术的方向发展，以减小封装尺寸并提高产品性能。这种技术背后牵涉到种种困难，需要更复杂的工艺以实现严格的控制，并保证焊凸的完整性和涂敷体积的一致性。而这对于组装工艺的质量和良率影响重大，此外，焊凸高度的变量愈来愈有限，特别是当技术所要求的器件愈来愈薄时。

为了解决焊凸工艺的这种限制，早前曾开发了钉头凸点焊接（Stud Bump Bonding；SBB）工艺[2，3]，采用机械力胶合的金焊凸及主要的各向同性导电胶（ICA）粘合材料。但这种材料在要求非常低导通电阻的应用中没有竞争优势。

2 铜接线柱焊凸（SBC）

铜接线柱焊凸（SBC）法利用热压在硅片上的铜接线柱，接线柱上有适当的金属结合层，并采用丝印工艺在接线柱上涂敷焊锡，从而在硅片上预先形成焊凸，这个方法能代替电镀焊凸或直接在硅片上置放锡球的工艺。

3 铜接线柱焊凸上的焊锡印刷

SBC方法实际上包含两个主要工艺步骤。第一步是在晶圆上形成铜接线柱焊凸[4]，然后在焊凸上印刷焊锡。形成铜接线柱焊凸[5]和印刷焊锡都是在晶圆上完成，印好焊锡的晶圆将经过回流炉中进行回流焊处理，预先形成焊凸（见图1），由于表面张力作用，焊凸将形成焊球。这种工艺属于焊凸晶圆预备过程，现在已可在晶圆制造设施中完成。

采用SBC方法后，封装时就可以利用传统的打线技术和丝网印刷工艺在晶圆上实现焊凸工艺。

4 倒装工艺中的焊点形成方法

第二个主要步骤是倒装已形成预置焊凸的晶圆，并对晶圆进行切片处理。倒装晶圆有3种方法可选：（1）在引线框基片上点助焊剂；（2）在助焊剂槽中浸渍预置焊凸的芯片，使焊凸润湿；（3）高温倒装附着。前两种工艺可在室温下完成，并通过回流处理使接线柱上的焊锡熔化，最终在引线框和预置铜接线柱焊凸的芯片间形成焊点（见图2），在第3种工艺中，芯片的倒装附着要在高温下进行，使焊锡重新熔化，在此过程中需要加入成型气流，以排除氧化物及促使焊凸熔化，并免除了助焊剂的使用。

5 结果与讨论

本实验制备了预置铜接线柱[5]焊凸的晶圆，预置铜接线柱焊凸在高度和直径上的差异是制备模板掩模的必要信息，本实验仔细研究了晶圆中的裸片布局，确定裸片内焊凸间距及裸片间的焊凸间距是否满足模板掩模的设计要求，在芯片上通过铜接线柱焊凸贴装能否取得晶圆尺度的精度也是设计模板掩模的一个重要因素。

6 铜接线柱上的预置焊凸

制备好预置接线柱[5]的晶圆，用于焊凸处理。铜接线柱必须无氧化层，以确保整个铜接线柱表面上的焊锡具有良好的浸润和覆盖效果，利用与接线柱和焊盘开孔相配的网板，将焊锡印刷在接线柱顶端，精确控制印刷在每个接线柱上的焊锡量对回流焊处理后的焊凸高度差异非常关键。焊凸是通过回流焊处理时的表面张力而形成。由于只有铜接线柱是可焊区域，印刷上的轻微偏离会因自对准效应回位。最终的焊凸位置取决于接线柱的位置精度（见图3）。

本实验对焊凸进行了剖面分析，以确定焊锡在铜接线柱上的粘合情况（见图4）。

实验结果表明焊锡涂敷层厚度达到40－50μm。回流处理后的最终焊凸高度为155－185μm。完全符合要求，对焊凸进行截面分析以及观察铜接线柱与焊锡的交接处，没有发现孔隙、脱层或其他异常。焊凸的x射线照片上也未发现有孔隙，但是我们注意到并非所有焊凸的铜接线柱顶端都100％覆盖了焊锡。这对于进行底部填充的应用或焊凸不会暴露在外的封装来说并没有负面影响，印刷工艺的进一步优化将可解决所暴露铜的问题，见表1组装特性的一览表。

7 在倒装过程中形成焊点

进行倒装时，在助焊剂槽中浸渍预置焊凸的芯片使焊凸润湿，然后将芯片定位到基片上，并根据铜接线柱上印刷的钎焊材料（本实验采用88Pb10Sn2Ag钎焊）酌情进行回流焊处理。在回流处理过程中，焊锡在高温下重新熔化并在基片和芯片间形成焊点，（见图5、图6）。焊凸会起支座作用，以维持基片和芯片间的间距[4]。半导体与基片平面做到了面平行，因为焊凸的高度差异可控制±5μm内，这一点对于具有严格面平行要求的应用非常重要。

焊点的连接非常好，并且在所有焊凸上一致，焊锡的均匀性十分显著，没有发现焊锡与接线柱间的脱层和焊锡裂缝之类的异常，由于无需担心焊凸的坍塌或完全熔化，因此可在很宽的温度范围内优化回流温度曲线。后面的结果对于需要严格控制离板的高度的应用非常必要，也非常关键。

图7描述了倒装工艺中采用SBC方法的整个过程，并简要说明了所涉及的主要工艺。

利用FLMP（带引脚的模塑封倒装芯片）作为载体对SBC工艺进行的参数测试表明，与使用"无坍塌"倒装工艺的电镀焊凸相比，其结果不相伯仲。当中的差别在于VSD参数上：预置的焊锡分布较窄，表现也较佳。

8 焊点可靠性

为了确定焊点的可靠性，本实验对用SBC方法制备的样品进行了不同应力测试，包括功率循环测试、温度循环测试，加速老化应力测试及高压蒸汽测试。

所有测试均未在中途出现失效。见表2给出的测试情况，对经过5000次功率循环的样品和500次温度循环的样品进行了横截面分析；并未观察到焊凸连接异常。

9 经济效益

SBC焊凸的制作成本比电镀焊凸低30％（包括裸片成本在内）。这可以节省与焊锡涂敷良率相关的废品损失的可观成本；其他节省还包括可省掉焊锡涂敷工具，这些工具的费用相当昂贵，而且不甚耐用，因此，整个产品成本将随制造良率的提高及其他成本的降低而下降，但这种新的焊凸制备方法需要对晶圆级印刷设备进行初始投资。

10 结论

铜接线柱焊凸（SBC）方法是电镀焊凸以外的良好工艺，兼具高度成本效益，可为需要控制离板间距或硅片与基片间间隔的应用带来优势，由于回流温度范围变宽，有利于达到焊锡的正确液线温度，保证了焊锡的整体均匀性，因此大大地提高了焊点的质量，实践证明，焊点的可靠性别具优势，甚至优于"无坍塌"的电镀焊凸技术，而且，与焊锡涂敷和回流相关的制造性问题也得以大大减少，如果不是完全消除的话。采用SBC方法也可实现对无铅封装的转换。不过，SBC方法也存在其局限性。该工艺目前还不适用于密距产品，而且在制备模板掩模方面还存在困难，但可通过新的模板掩模技术（如电铸和激光切割技术）来解决，而焊球的丝网印刷和焊锡喷射或许有助于克服这些难题。

11 建议

对精密间距器件需要进一步研究，以确定哪种方法最好，此外，还应针对150μm以下应用进行开发。