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PCBA组装用于倒装晶片凸起制作的表面平整制程

发布时间 :2017-11-29 16:37 阅读 : 来源 :技术文章责任编辑 :深圳宏力捷PCBA部
在制造倒装晶片凸起的过程中,引入绝缘层将倒装IC表面的拓扑图进行表面平整处理后,合同制造商就可以采用统一的设计规则来加工表面拓扑各异的IC。对(中国)封装设计公司来说,了解该技术的起因和解决方案,有助于掌握该领域的最新技术动态。
 
30多年前,IBM公司首先将倒装晶片互连结构引入制造业。该公司不仅引入了三维(3D)互连结构的概念,还率先提出了将裸片PCBA组装成模组或PCBA组装到底板上的所有技术和设计规则。从那时起,一些较大的制造公司也开始建立倒装晶片生产线,他们或者直接从IBM获得许可(如摩托罗拉、AMD等公司),或者像Delco公司那样对大公司的PCBA组装制程加以改进。对大公司而言,可以完全控制著整个晶片加工到成品出厂的全过程,因此,完全有可能将制程规则与布线软件相结合,并采取灵巧的设计流程。但是,现在情况不同,合同制造业受到倒装晶片加工制程的限制,面临一些过去没有遇到的问题。
 
IC制造商所采用的制造制程和设计规则千差万别,使得制造倒装晶片凸起的合同制造商很难选择何种自动布线软件进行倒装晶片的I/O布局和金属互连。为此,有必要引入一个绝缘层,将倒装IC表面的拓扑图进行平面化处理,这样,合同制造商就可以采用统一的设计规则来处理表面拓扑各异的IC。
 
合同制造链
制造业早已改变了以往大型、纵向整合结构的模式,如今,对全球设计和代加工倒装晶片的制造商来说,制造过程基本可以分解为三个阶段(如图1)。第一、设计和生产晶片,多数情况下,设计和生产可能分开进行;第二、设计和制作倒装晶片互连结构;第三、设计衬底或底板,并将晶片黏着到电路板上。合同制造商处于制造链的第二阶段。
 
制造过程基本可以分为三个阶段
图1:制造过程基本可以分为三个阶段。
 
第一、设计和生产晶片,多数情况下,设计和生产还可能是分开的;第二、设计和制造倒装晶片互连结构;第三、设计衬底或底板,并将晶片黏着到产品之中。
对于能够控制整个制程的制造商,他们就可将其晶片设计无缝地整合到倒装晶片互连封装中。可是,合同制造商无法控制晶片设计和制造的整个制程,因而需要增加额外的布线层,以便将晶片的不平整布线结构转换为平面阵列互连结构,这个额外的布线层通常称为金属或I/O二次布线层,或者就称为二次布线层。
 
一般来说,二次布线层是由铝或铜线构成的薄膜布线层,其中布线既可用做信号线,也可用做电源线和地线。在这些布线中出现的附加层可能需要黏合,或者要增加电流传输线的电子漂移阻抗。目前,这种薄膜布线层一般要在后端加工中制造,因此,根据特定的设计要求,其厚度通常在1到3μm之间,而宽度通常在12到100μm之间。
 
不论是否对倒装晶片的I/O进行二次布线,都要在I/O邦定焊盘上形成焊接互连结构。在焊接互连结构加工、PCBA组装和返工过程中,会出现金属化合层。最可靠的凸起底部金属镀覆(UBM)结构要采用尽可能薄的支撑架构。在加工和PCBA组装过程中,基于共相金属的一种高铅焊点能够制约易碎的金属化合层的生成。图2所示为一种薄膜UBM焊接互连结构。有关金属化合层厚度与热循环周期关系的研究有专著可供参考。
 
一种薄膜UBM焊接互连结构
图2:一种薄膜UBM焊接互连结构
 
合同制造商所面临的问题
合同晶圆供应商所面临的问题来自两个方面,一方面无法控制制程流程,另一方面缺乏对晶片拓扑图的了解。许多的制造商要求晶圆厂提供倒装晶片凸起加工(bumping)服务,同时,他们为了控制成本或保护其制造链的安全,通常还会选择其他代工厂来制造功能完全相同的晶片。但是,各代工厂的制程流程不同,因而制造出来的倒装晶片物理结构存在差异,因而给合同制造业带来了诸多不便。
 
在典型的合同制造过程中,晶片厂将顶层金属层和钝化层提供给合同加工服务商(contract bumping house),但为了保护IP,通常不会提供更多的布线层资讯。因为晶片顶层拓扑图存在不一致平整的表面,因而不方便自动布线工具根据电子模型或热模型来放置I/O和布线。图3所示为加工过程中可能遇到的典型拓扑图。与图2的横截面相比,可以看出UBM和金属层厚度相差不多。由IC金属布线和保形无机钝化层构成的不平整拓扑图产生了阶梯覆盖(step coverage)问题。
 
在处理过程中可能会遇到的一个典型拓扑实例
图3:在处理过程中可能会遇到的一个典型拓扑实例
 
阶梯覆盖问题存在的原因在于,焊接互连结构的二次布线和UBM。如果能掌握完整的拓扑图,便可以利用自动布线系统来解决问题。但是,如上所述,这很难做到,因为合同加工服务商必须面对大量的代工和设计公司。要想采用自动布线技术,就必须采用一种不需掌握完整拓扑图的布线方法。
 
表面平整制程
采用表面平整(planarizing surface)制程,可提供平整一致的表面来实现焊接互连结构和二次金属布线。在实际应用中,要采用一种有机钝化层,如Dow 化工公司提供的BCB材料。图4所示为表面平整的实例。
 
表面平整的实例
图4:表面平整的实例
 
藉由这种特殊方法,可产生一个约5μm厚的平面层,从而将厚度相近的几何平面进行平面化处理。当厚度在3到7μm之间调整时,材料的化学特性不会变化。
 
该材料还具备多层覆盖的性能,对高频应用尤为重要。保持二次布线层及其下部金属层之间的一致和较大的间隔也很重要。藉由表面平整层,起因于金属层和焊接互连结构的拓扑图问题就迎刃而解了。
 
本文结论
目前,倒装晶片互连设计面临的主要困难有两方面:1. 满足裸片及衬底需要的所有电气参数要求的金属互连制程;2. 满足所有PCBA组装和加工制程流程的三维几何结构。
 
提供合同凸起加工服务的供应商正面对一系列似乎难以克服的问题,为了将自动布线工具与倒装晶片凸起加工及二次布线过程结合起来,必须掌握加工的控制过程,但要从提供晶圆的合同制造商获得更多的金属层资讯几乎没有可能。晶圆凸起设计公司(wafer-bumping house)也许可以解决这个问题,正如人们曾利用封装解决IC制造制程缺陷一样。此外,事实上,除了掌握顶层精确设计尺寸之外,更多的资讯可能就很难拿到。
 
为了解决上述问题,要在制造过程中采用统一的平面绝缘层,如Dow化工公司制造的BCB材料。覆盖有机钝化绝缘层可能会提高成本,但的确需要一个藉由平整的表面来加工互连结构,进而实现高度可靠的PCBA组装。


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