在高级封装中缩放凸点间距

小英说半导体

引言

先进封装的互连正处于十字路口，因为各种新的封装类型正在进一步推向主流，在所有情况下，目标都是在处理的数据量增加时确保IC封装中组件之间的信号完整性。但随着设备不断缩小以及更多组件被添加到高级封装中以处理、移动和存储更多数据，将需要具有更多I/O的新技术。因此，虽然在可预见的未来仍将使用传统的焊球和/或铜微凸块，但新技术正在开发中，可以增强或取代这些互连技术，从而增加 I/O 的数量并为缩放提供更多空间。

图1.具有HBM3内存的2.5D/3D系统架构

封装概况

IC 封装将管芯集成在一个类似外壳的单元中，以保护设备免受损坏。封装还可以提高芯片的性能。该行业正在加大对先进封装的投资，并一直在努力提高系统级互连密度，降低功耗，实现更小的外形尺寸，并通过扩展封装级间距并将更多功能集成到单个器件中来降低成本。

为了堆叠和连接这些封装中的芯片，热压键合 (TCB) 系统拾取芯片并将凸块与另一个芯片上的凸块对齐。该系统使用力和热来粘合凸块。

预计铜凸点的间距将从40μm扩展到10μm。然后，该行业需要转向混合键合，以实现10μm及以下间距的互连。但并非所有封装厂都能开发混合键合。对于大多数来说，它的成本过高。它需要一个昂贵的半导体工厂来实现这些过程。

缩放凸块

扩展微凸块有一些优点。首先，它利用了现有的焊料/铜凸点基础设施。C4 凸块仍用于封装中，但它们是粗间距结构。铜凸块由带有薄镍扩散阻挡层的铜柱和锡银焊帽组成。为了制作更小的铜微凸块，该过程类似于 C4 流程。首先，芯片在晶圆厂中加工成晶圆。然后在晶圆底部形成凸块。为此，使用沉积法在表面上沉积了凸块下冶金 。然后，涂上一种称为光致抗蚀剂的光敏材料。使用光刻系统在抗蚀剂顶部图案化预定的凸块尺寸。该图案被蚀刻，形成一个小间隙。（江苏英思特半导体科技有限公司）

使用电化学沉积系统，间隙被填充或镀上铜。剥离抗蚀剂并蚀刻结构。该结构在烘箱中回流或加热，形成凸块。

图 2：微凸块工艺流程

最终，两种不同的凸点金属结合在一起，并且它们扩散到彼此的晶界中。这称为金属间化合物 (IMC) 层。在某些情况下，IMC很强大。在其他情况下，IMC薄弱，导致接头失效。（江苏英思特半导体科技有限公司）

IMC是可能出现问题的地方。对于铜/锡银凸点结构，其中焊料直接沉积在铜柱上而没有镍阻挡层，金属间化合物 (IMC) 层可能在回流期间形成，IMC 层可能会在老化或加热过程中继续生长，从而对焊点可靠性和导电性产生负面影响。相比之下，用均匀镀镍代替铜柱可有效限制 IMC 的广泛生长，并提供出色的阻隔能力、可焊性和其他对保持晶圆制造一致性至关重要的特性。从工艺角度来看，较新的镍基电镀选项也是可持续的。

图 3：普通柱设计和高级微柱设计

凸块接合

制作微小的凸块具有挑战性。以更细的间距将它们粘合起来也很困难。传统的大量回流倒装焊在更精细的间距上具有挑战性。该行业使用清洁系统去除包装中的助焊剂。这适用于粗间距应用，但此过程需要时间来清洁细间距封装的助焊剂。（江苏英思特半导体科技有限公司）

在另一种可能的解决方案中，业界开发了“免清洗助焊剂”材料。这些材料并不总是有效。如果过程中出现助焊剂，则很难清洗。数据表明，使用功能强大的 TCB 工具和紧密的键合工艺控制，Cu/SnAg 微凸块配置在 20μm 间距下可能是可行的。

江苏英思特半导体科技有限公司主要从事湿法制程设备，晶圆清洁设备，RCA清洗机，KOH腐殖清洗机等设备的设计、生产和维护。