封測廠(chǎng)商：先進(jìn)封裝挑戰越來(lái)越大

來(lái)源：半導體芯聞

隨著(zhù)芯片和封裝尺寸的縮小，先進(jìn)的封裝挑戰也越來(lái)越大。凸塊（Bumps）是許多高級封裝中的關(guān)鍵組件，但在納米級確保所有這些凸塊高度一致是一項日益嚴峻的挑戰。

如果沒(méi)有共面性（co-planarity,），表面可能無(wú)法正確粘附。如果在封裝中沒(méi)有發(fā)現問(wèn)題，這可能會(huì )降低產(chǎn)量，或者會(huì )導致現場(chǎng)出現可靠性問(wèn)題。識別這些問(wèn)題需要各種工藝步驟，包括各種類(lèi)型的檢查和計量，并且凸塊越密集和越小，這些工藝就變得越密集和耗時(shí)。

“隨著(zhù)裸片內的 I/O 間距不斷減小，每個(gè)裸片所需的凸塊數量會(huì )增加。此外，凸塊尺寸還在繼續減小，” Amkor晶圓服務(wù)副總裁 Doug Scott 說(shuō)?！霸谀承┣闆r下，每個(gè)芯片可能有超過(guò) 5,000 個(gè)凸點(diǎn)。這要求每個(gè)凸塊具有相同的尺寸和形狀，以確保下游正確組裝。一個(gè)缺失的凸塊或畸形的凸塊將導致組裝失敗和產(chǎn)量損失?！?/p>

還有其他挑戰，特別是當這些封裝中包含的芯片變得更加異構時(shí)。Amkor 高級封裝開(kāi)發(fā)和集成副總裁 Mike Kelly 表示：“新節點(diǎn)的總功率通常仍在上升，這促使客戶(hù)采用混合凸塊間距和凸塊直徑進(jìn)行芯片設計?！?nbsp;“這需要更高端的電鍍工具和通常更慢的電鍍時(shí)間，并且有動(dòng)力將成本影響降至最低。我們的客戶(hù)最關(guān)心的是總電流，這主要是一個(gè)電遷移問(wèn)題，但它也是將電流更精細的網(wǎng)格輸送到新的硅節點(diǎn)——尤其是 3nm，但也從 5nm 開(kāi)始。這意味著(zhù)在更細的間距上有更多的凸塊，當凸塊間距和凸塊直徑在芯片上發(fā)生變化時(shí)，可能會(huì )面臨更多的電鍍挑戰?！?/p>

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結構

凸塊是簡(jiǎn)單的焊球，直徑通常在 75μm 到 200μm 之間。它們可以通過(guò)電鍍或直接放置形成?！斑@兩種工藝都得到了很好的理解，得到了很好的優(yōu)化，并且在大批量制造中取得了成功，”斯科特說(shuō)?！耙部梢允褂媒z網(wǎng)印刷制作焊點(diǎn)，但存在良率/焊料空洞問(wèn)題。凸塊芯片和基板/末端 PCB 之間的適當設計可以顯著(zhù)減少故障點(diǎn)?！?/p>

凸塊是在倒裝芯片工藝中植入 IC 上的——從技術(shù)上講，是受控崩潰芯片連接或 C4。一旦在晶片上制造了芯片，就會(huì )在其頂部放置一個(gè)金屬化焊盤(pán)并連接凸塊。然后，將芯片切塊并翻轉過(guò)來(lái)。

圖 1：凸塊工藝必須控制的參數包括高度、共面性、位置、尺寸和形狀。

資料來(lái)源：CyberOptics

理想情況下，凸塊與其他組件上的連接器完美對齊。這是經(jīng)常發(fā)生問(wèn)題的地方，要么是由于凸塊本身的缺陷，要么是由于基板翹曲導致凸塊無(wú)法正確對齊。

“小芯片之間的互連依賴(lài)于焊料厚度小于 10 微米的微凸塊，” Ansys半導體部門(mén)產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)總監 Marc Swinnen 說(shuō)?！拔⑼箟K的焊料量大約比傳統的倒裝芯片接頭小兩個(gè)數量級。這意味著(zhù)即使插入基板的輕微彎曲或翹曲也會(huì )帶來(lái)重大的可靠性風(fēng)險。此外，這些微凸塊被要求共同承載數百瓦的功率。任何局部過(guò)熱都可能導致這些微小結構的熱失效?！?/p>

“您有各種各樣的材料、不同的基材，而且它們都有不同的熱膨脹系數，”布魯克納米表面與計量公司應用和產(chǎn)品管理總監 Frank Chen 說(shuō) ?！爱斈阌羞@些不匹配時(shí)，有些東西會(huì )比其他東西冷卻得更快，你會(huì )得到很多無(wú)法完全消除的翹曲和應力?，F實(shí)情況是，很難獲得平坦的表面?！?/p>

在許多情況下，這種翹曲非常小，甚至需要特殊設備才能檢測到。

“真正挑戰人們的是三種主要類(lèi)型的凹凸缺陷——橋接、非濕和空洞，”Chen 說(shuō)?！暗泊嬖谟嬃款?lèi)型的問(wèn)題，例如芯片放置錯誤，包括芯片移位和旋轉。與芯片貼裝相關(guān)的另一個(gè)問(wèn)題是壓力。典型的過(guò)程是施加壓力和熱量來(lái)連接芯片，但由于壓力或熱量分布不均勻，您可能會(huì )出現一些傾斜或翹曲?！?/p>

空隙會(huì )使焊接連接界面看起來(lái)像瑞士奶酪，是熱和電源問(wèn)題的根源。Palomar Technologies 的應用工程師 Anders Schmidt 說(shuō)：“眾所周知，空隙是非常差的熱導體，會(huì )干擾熱量從組件中傳遞出去?！?nbsp;“由于組件不能很好地散熱，其載流能力下降，導致功率利用效率低下?！?/p>

圖 2：Swiss-cheese般的空隙會(huì )導致許多問(wèn)題，包括導熱性差。

資料來(lái)源：Palomar Technologies

最壞的情況是，空隙會(huì )導致芯片開(kāi)裂。根據 Palomar 的說(shuō)法，解決方案是使用共晶鍵合，其中熔點(diǎn)低于每種單獨材料的熔點(diǎn)。這可以使用中間金屬層來(lái)實(shí)現?！霸阪I合過(guò)程中，但在設備運行期間，熔點(diǎn)非常低，這是共晶鍵合的關(guān)鍵屬性之一，”施密特說(shuō)。

因為焊料凸點(diǎn)是金屬，它們也有助于散熱?！翱煽康暮噶蠈⑴c封裝配合使用，以消散內部產(chǎn)生的熱量，在工作溫度下保持長(cháng)期功能，并承受環(huán)境條件或電源循環(huán)引起的沖擊?！?/p>

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不斷發(fā)展的材料

IBM 于 1964 年首次推出 [1]，凸塊設計隨著(zhù)組件的縮小而變得流行，因為它們可以在與引線(xiàn)鍵合相同的空間內實(shí)現更多的 I/O 連接，同時(shí)還降低了熱阻和電感。

最初，凸塊由錫鉛 (SnPb) 合金制成。為了與當前的環(huán)境問(wèn)題保持一致，它們現在更多地由錫-銀-銅（SnAgCu 或 SAC）合金制成。鑒于單個(gè)組件上可能有數千個(gè)凸起，該轉換對環(huán)境審計具有重要意義，因為材料審計可以降至原子級別。

西門(mén)子數字工業(yè)軟件公司電子和半導體戰略副總裁艾倫·波特(Alan Porter)說(shuō):“如果你的產(chǎn)品含有不同的材料，每一種材料都可能含有一個(gè)鉛原子，當你把這些材料聚合在一起時(shí)，在某種程度上，鉛就會(huì )變得可測量和重要?！?/p>

目前，有來(lái)自不同供應商的許多凸塊和基板配置，所有這些都旨在優(yōu)化電氣連接以獲得更好的性能。[2] 底部填充材料的進(jìn)步、倒裝芯片中的電絕緣粘合劑層（不要與“底部填充”[3] 混淆）也在提高效率。

在眾多選擇中，有純銅“微凸塊”，直徑在 20μm 到 25μm 之間，與較大的凸塊相比，它具有與凸塊相比引線(xiàn)鍵合的相同優(yōu)勢。隨著(zhù)間距越來(lái)越小，從十多年前開(kāi)始，許多制造商開(kāi)始使用“C2 凸塊”，這是一種頂部有錫銀 (SnAg) 觸點(diǎn)的柱狀微凸塊結構。

這些 SnAg 尖端提供了可靠性?xún)?yōu)勢。但是成分的細微差異會(huì )影響顛簸的行為。根據Fisher Instruments的說(shuō)法，“銀含量超過(guò) 3% 的焊料凸塊在熱疲勞測試中表現更好，并且更能抵抗剪切塑性變形，而銀含量較低（約 1%）的合金表現出優(yōu)異的延展性，因此具有更好的抗疲勞性在嚴重的應變條件下。此外，僅 0.5% 的銅就可以降低基板銅的溶解行為，從而提高可焊性?！?/p>

這里的基本制造挑戰之一是保持材料成分的適當平衡。這為多年來(lái)一直處于觀(guān)望狀態(tài)的 X 射線(xiàn)檢測創(chuàng )造了重要機會(huì )。X 射線(xiàn)可用于確定材料成分，例如互連中的合金或凸塊中的污染物。此外，它可以幫助識別結構缺陷。

X 射線(xiàn)檢測的缺點(diǎn)是速度快，通常與光學(xué)檢測相結合。但隨著(zhù)興趣的增長(cháng)，這項技術(shù)的速度有了顯著(zhù)提高。

“一個(gè)有空隙的凸起不會(huì )像一個(gè)實(shí)心球體那樣吸收那么多的 X 射線(xiàn)，”Chen 解釋說(shuō)?！耙驗槔锩嬗幸粋€(gè)洞，空氣并沒(méi)有真正衰減 X 射線(xiàn)。在它是一個(gè)實(shí)心球體的情況下，你會(huì )得到更多的吸收。當你看著(zhù)相機，之后你會(huì )看到有一個(gè)黑點(diǎn)，因為它吸收了所有的 X 射線(xiàn)，所以你看不到那里的光——與那個(gè)有洞的地方相比，你看到的更多。它不是完全透明的，但看起來(lái)有點(diǎn)輕。因此，我們正在查看圖像對比度和吸收的差異，然后比較已知的好和已知的壞，看看哪個(gè)是壞的?！?/p>

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工藝步驟

當前對更小處理器、更小尺寸的更多 I/O 和更小封裝的需求也促使 OSAT 重新考慮工藝順序。CyberOptics的計算機視覺(jué)工程經(jīng)理 John Hoffman 表示：“曾經(jīng)嚴格的后端流程（例如包裝）現在正更多地轉移到前端?！皹I(yè)界傾向于將這些流程稱(chēng)為中間流程，尤其是當晶圓廠(chǎng)或封裝廠(chǎng)執行這些步驟時(shí)。

由于最終產(chǎn)品的可靠性取決于凸塊的精確對齊，因此必須提前進(jìn)行檢查，這迫使進(jìn)一步調整?！斑@需要以某種方式制備樣品，”陳說(shuō)?！岸疫@些測試協(xié)議需要時(shí)間來(lái)設計?！?/p>

其他人同意?！叭缃?，在后端/包裝檢測方面，我們在檢測和組裝過(guò)程之間沒(méi)有明確的關(guān)聯(lián)，” KLA ICOS 部門(mén)的產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理 Olivier Dupont 在最近的一次采訪(fǎng)中說(shuō)?！斑@是一個(gè)需要建設的未來(lái)發(fā)展領(lǐng)域。正如許多人所觀(guān)察到的，先進(jìn)封裝的增長(cháng)仍在繼續。它必須投資于這種發(fā)展?！?/p>

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縮放

隨著(zhù)芯片和封裝的尺寸不斷縮小，凸塊技術(shù)正在被混合鍵合所取代。

今天，生產(chǎn)中最小的間距和直徑約為 20μm 間距和 10μm 直徑。Onto Innovation應用工程經(jīng)理 Woo Young Han 表示：“一些客戶(hù)試圖在 20 微米間距、10 微米直徑之后進(jìn)行混合鍵合，其中一些客戶(hù)嘗試在 5 微米直徑、10 微米間距之后轉向混合鍵合?！?nbsp;?！边@就是我們今天顛簸的局限。任何比這更小的都將是直接的銅對銅表面鍵合?！?/p>

一個(gè)值得關(guān)注的領(lǐng)域是晶圓邊緣?！皫准{米的表面滾降可能會(huì )破壞晶圓間的混合鍵合，”韓說(shuō)?！拔覀兊暮芏嗫蛻?hù)都希望對晶圓邊緣的不完整芯片進(jìn)行檢查。雖然它不會(huì )被使用，但部分裸片上的任何缺陷都會(huì )破壞整個(gè)過(guò)程。因此，許多檢測公司都在研究深度學(xué)習或基于人工智能的方法來(lái)檢測部分模具?！?/p>

GlobalFoundries的工廠(chǎng)后主管 Jean Trewhella 表示，雖然這些問(wèn)題通常是人們最關(guān)心的問(wèn)題，但在微柱凸塊的制造過(guò)程中還有另一個(gè)不太為人所知的問(wèn)題?！爸圃煳⒅⒉皇亲畲蟮奶魬?，”她說(shuō)?！跋喾?，當你嘗試測試它們或將它們連接到其他東西時(shí)，不會(huì )獲得任何額外的外來(lái)材料。這與我們進(jìn)行碰撞的潔凈室不同?！?/p>

此外，測試本身有時(shí)會(huì )造成損壞?！拔覀儽仨氂H身接觸那個(gè)凸起或球，因此我們必須確保我們使用的 Pogo pin 技術(shù)不會(huì )造成太大的破壞，”Amkor 的 Harris 說(shuō)?！按送?，我們必須確保我們的環(huán)境是干凈的。如果您在一個(gè)球和臟電源之間有連接，您通常需要在測試時(shí)增加電壓或電流以滿(mǎn)足特定水平。這條路上有阻力。如果那是碳類(lèi)材料，它可能會(huì )燃燒并損壞插座，從而損壞設備?！?/p>

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結論

Amkor 的 Scott 樂(lè )觀(guān)地認為這些問(wèn)題可以得到解決?！半S著(zhù)凸塊間距的減小，需要新的光刻膠材料和曝光設備，”他說(shuō)?！拔覀冃枰^續投資于更好的設備和材料，以及增加統計過(guò)程控制和計量。此外，了解最終應用要求以確保設計適合滿(mǎn)足使用壽命要求也非常重要?！?/p>

他并不是唯一一個(gè)樂(lè )觀(guān)的人?！翱紤]到支柱的數量和其他所有因素，當您將所有這些概率疊加在一起時(shí)，PPM 不再罕見(jiàn)，”GlobalFoundries 公司的 Post Fab 測試開(kāi)發(fā)中心研究員 John Carulli 說(shuō)?！爱斘遗c整個(gè)鏈條上的各個(gè)同行進(jìn)行基準測試和交談時(shí)，這些都是問(wèn)題。目前沒(méi)有很多解決方案。但是很多聰明的人正在做很多很好的工作來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題?！?/p>

解決這些問(wèn)題可能會(huì )帶來(lái)巨大的好處和機會(huì )。Promex Industries 的工程副總裁 Chip Greely 說(shuō)：“更高的產(chǎn)量意味著(zhù)更低的成本，更一致的設備在時(shí)間/超時(shí)時(shí)間內做同樣的事情，因此成本應該會(huì )下降?！?/p>