九，声表器件倒装焊工艺原理
序：倒装芯片（FC）技术，是在芯片的焊接区金属上制作凸焊点，然后将芯片倒扣在 外壳基座上，以实现机械性能和电性能的连接，由于FC是通过凸焊点直接与底座相连，因此与其它互连技术相比，FC具有最高的封装密度、最小的封装尺寸（线焊可焊的最小陶瓷外壳为3×3mm，而FC可以作到芯片级）、最好的高频性能（电感小）、最小的高度、最轻的重量，以及产品高可靠、生产高工效等。倒装焊工艺：主要由UBM的形成、凸点的制作、倒装焊接三部分组成。 （一）UBM的形成：
当凸焊点材料与芯片上的焊接区金属不能很好浸润粘附时（或接触电阻大，或热匹配差， 或两种材料间易形成会导致键合强度降低的金属间化合物），需要在凸焊点与芯片压焊块之间置入一层既能与芯片焊接区金属良好粘附、又能与凸焊点良好浸润、还能有效阻挡两者之间相互反应扩散的金属膜（UBM），因我们无法找到可同时满足上述要求的材料，所以通常UBM由多层金属膜组成。（说明：与凸点连接的还有底座上相应的焊接点，由于在底座制作时该部位已镀有多层金属，能满足要求，固在此不于讨论。） 1，对UBM的各层要求及材料选择：
1）粘附层：要求与铝膜及钝化层间的粘附性好，低阻接触，热膨涨系数接近，热应力 小。常选用材料有：Cr、Ti、Ti-W、Al、V等，因它们与Al浸润性很好，固该层可较薄。 2）扩散阻挡层：能有效阻挡凸焊点材料与铝间的相互扩散，以免形成不利的金属间化合 物，特别是金凸焊点，在高温下与铝可生成Al2Au、AlAu、AlAu2、Al2Au5等脆性金属间化合物及在接触处相互扩散形成空洞，导致键合强度降低甚至失效。该层常用材料有：Ti、Ni、Cu、Pd、Pt、Ti-W等。（当用软焊料如PbSn作凸点时，由于其回流时会吃掉浸润层，直接与阻挡层接触；此时阻挡层应足够厚，且与凸点相浸润，不反应产生有害物）
3） 浸润层：要求一方面能和凸焊点材料良好浸润，可焊性好，且不会形成不利于键合 的金属间化合物；另一方面还能保护粘附层和阻挡层金属不被氧化、粘污。该层常选用薄的金膜、金的合金膜或较厚的铜膜（用于焊料凸焊点）。 2， UBM的制作：
1） UBM的组合选择：对于金凸焊点，常选用的UBM为：Cr/Ni/Au、Ti/Ni/Au、Ti/Pt/Au、 Ti-W/Au等；对于PbSn凸焊点，常选用的UBM有：Ti-W/Cu、Ti-W/Au/Cu、Cr/Cr-Cu/Cu、Al/Ni-V/Cu、Ti/Cu、Ti-W/Cu/化学镀Ni等。
2） UBM的制作方法：UBM的制作是凸焊点制作的关键工艺，其质量好坏直接影响凸 焊点质量、倒装焊接的成功率和封装后凸焊点的可靠性。由于UBM是多层金属，为防止薄膜间形成氧化膜夹层，对UBM的制作基本上都是采用溅射或电子束蒸发，在高真空腔内一次完成（当需要制作厚金属膜时，则采用电镀或化学镀）。为防止多层金属腐蚀时造成凸点脱落，可采用剥离技术（电镀法制凸点除外），既可解决腐蚀不易控制，又可简化工艺，提高芯片凸点可靠性；这对换能器裸露于芯片表面的声表器件尤其适宜。 （二）凸焊点制作： 1，凸焊点常用材料：
要具有电阻率小、延展性好、化学性能稳定等特点，同时凸点（包括UBM）材料还要能 承受器件在加工、使用、老化、可靠性实验等过程中所需承受的条件。
1）Au：由于金浸润性好，延展性好，内应力小，接触电阻小，化学性能稳定，因此是 高频、高可靠器件常用的凸点材料。现在已可作节距为20μ，直径为20μ，高为15μ的金凸点。对小尺寸、高密度的金凸点的制作主要是用厚金电镀技术，低密度的金凸点可用金丝球焊切尾制作。目前国内无氰电镀金凸点剪切强度已达11.8 mg/µm2，高度容差±1.4µm（优于美国公司标准：剪切强度>8.7mg/µm2，高度容差：管芯内±1.5µm，圆片内±2.5µm）。
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有资料介绍，在有金参与的金属化系统中，Ti、Ni、Cr、Al不能与金直接接触，因为前三种金属与金接触时，在350-450℃烘焙数分钟其电阻就大大增加，而Al与Au在200℃以上易生成不利于键合的金属间化合物。可作Ti、Ni、Cr与Au阻挡层的材料有Pd、Pt、Mo、W、Cu，通常用Mo或W。提醒选材时予以注意。
2） Pb-Sn合金：属软焊料。由于现阶段开发的无铅焊料仍存在浸润性差、熔点高、成本 高、一些技术参数还难以实现等问题，因此Pb/Sn目前仍作为凸点材料使用。铅锡焊球成分种类较多，主要分为用于陶瓷基板的高温高铅焊料如95Pb5Sn、97Pb3Sn（熔点为314-320℃），和用于有机基板的低温焊料如37Pb63Sn，熔点为183℃，其凸点剪切力 > 3.1mg/µm2。由于铅锡焊球体形较大（直径85-200μ），常采用电镀、模板印刷等法制作。铅锡合金的缺点是：有容易形成晶须和热疲劳等可靠性问题（为提高焊料的抗热疲劳性，常在PbSn中加入少量的Ag或In）；另外，PbSn在熔化状态易与金膜融解形成合金，会使结合质量产生隐患。（有资料介绍，Au在PbSn中含量超过4%、Al在PbSn中含量超过0.001%，即会生成脆性金属间化合物） 3） 其它：
* In：铟是低熔点（156℃）软焊料，应力小，有良好的塑性形变和浸润性。采用蒸发- 剥离工艺制作的铟凸点均匀性好，工艺简单，UBM和凸点的制作可在镀膜机内一气哈成（在铟、铝之间仅须蒸发一层几千埃的钛即可）。缺点是In易氧化，剪切力较低，有容易形成晶须和热疲劳等可靠性问题，及In价格昂贵等。
* Au/Sn合金：属硬焊料，无须助焊剂，有优良的物理和化学性能；具有浸润好，导热、 导电性好，强度高等优点。Au-Sn凸点常采用电镀-回流工艺制作（回流处理气氛：N2/H2（95/5），温度：300-325℃），Au-Sn（80/20）共熔合金的金相结构是在回流过程或焊接过程中锡、金反应形成，其凸点剪切力是铟凸点和铅锡凸点的两倍。
* 可作为凸点材料的还有：Al、SnAgCu、SnAg、SnCu、SnZn、SnCuNi等，我们须根 据对器件性能的要求、对工艺的要求、以及对成本、效率的要求等，综合考虑选择。 * 说明：由于以上资料选自不同文章，难免有相互矛盾之处，如：“Ti、Ni、Cr、Al不能与金直接接触”与“对于金凸焊点，常选用的UBM为：Cr/Ni/Au、Ti/Ni/Au”即相矛盾。因此在对一些材料选用时，要注意重实验、重实践。 2，凸焊点的制作方法：
常用方法有：电镀、化学镀、蒸发、模板（丝网）印制、植球等。
1）电镀法：是最常用的方法，占市场份额80%。优点是可以作到小的节距（25µ），且 一致性好，质量稳定；缺点是费时费工。目前还不是所有的焊料都可电镀。下面结合声表器件工艺进行讨论：
a）电镀法制金凸点：由于声表器件换能 器裸露于芯片表面，不便于像IC那样用钝化层保护，在此采用光刻胶保护、隔离。
* 涂光刻胶0.5μm左右，光刻UBM窗口。 * 用溅射或电子束镀膜先后镀Ti、W 各1500A°（镀前用等离子体打胶底膜）。 * 涂厚光刻胶（SU-8光刻胶，厚20-30µ，胶要高于所需凸点的高度，侧壁要陡直，侧壁角>85°）；光刻出电镀窗口。
* 电镀厚金12-20µ（镀前要用等离子体打底膜）。
* 去厚胶, 剥离出金凸点。依次腐蚀清除
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W、Ti金属膜层；去光刻胶。（W腐蚀液：NaNO2：NaOH：H2O = 25g：4g：100ml，Ti腐蚀液：40%NH4F水溶液：48%HF=6：1）
* 在400-450℃下退火15′，以降低其硬度。 b）电镀法制作SnPb凸点：工艺基本与上同。
* 采用光刻-真空镀膜制作UBM：Ti（200nm）/Cu（250nm）。
* 厚胶光刻。按设计要求和SnPb合金比例，依次电镀一定厚度的Cu、Pb、Sn。 * 去厚胶，腐蚀清除凸点外UBM，对凸点进行高温回流处理。 c）讨论：电镀法制凸点应用于高频声表器件存在的问题：
* 腐蚀清除UBM膜层时的问题：光刻胶的抗蚀能力；侧向钻蚀及酸碱对凸点的腐蚀。 * 回流时，来自焊料的焊滴很易扩散并粘附在芯片表面，引起短路或使特性变差。 * 退火（回流）时的高温对芯片的影响：压电晶片有很强的热电性，当被加热到250℃ 左右，表面会产生很高电压，不仅易造成裂片，还会在梳状电极间引起放电，击穿电极。（具体温度多高会造成击穿，要根据工艺水平及指条间距而定） 由此认为，电镀法制凸点不适宜高频声表器件。（对熔点为183℃的37Pb63Sn，另议） 2）化学镀法：化学镀不需外加直流电源设备，可在金属、非金属、半导体等各种不同基 材上镀覆。化学镀只局限在具有催化作用的工作表面上进行反应，如果被镀金属（如镍）本身是催化剂，那么这种化学镀的过程就具有自催化作用，使氧化还原反应能不断进行，而获得一定厚度的镀层；而对不具有催化表面的工件（如塑料等非金属），则需通过特殊予处理，使其表面活化，具有催化作用，才能进行化学镀。目前用化学镀所得镀层有：Cu、Ni、Co、Au、Pb、Sn、Pd、Ag等和它们的合金。化学镀因其镀液不稳定，镀层均匀性较差，有时不能满足凸焊点高度容差的要求。 化学镀制凸点工艺如下：
a） 光刻-蒸发-剥离制作UBM—厚胶光刻—化学镀凸点材料。
b） 直接厚胶光刻，然后按厚度要求，依次化学镀Ni、Cu、Au、厚Au（做金凸点）； 依次化学镀Ni、Cu，然后按合金比例化学镀厚SnPb（做SnPb凸点）。
采用化学镀制凸点有时不需UBM，这是因为活化处理常使被镀基体表面具有UBM的性 能。在该工艺中镀液的组成和对被镀件表活化处理则是其技术要点。
由于化学镀制凸点需高温退火或回流，因此它不适用于高频声表面波器件。
3） 蒸发法：用蒸发法制凸点可采用剥离技术，具有制做的凸点面积小，均匀性好，工 艺简单（UBM和凸点的制作可在镀膜机内一气哈成）等优点；缺点是生产效率低。另外当凸点材料昂贵、或对蒸发合金组分要求严格又不易控制时，可酌情选用。
a）一般工艺过程：（以SnPb凸点为例）
* 厚胶光刻：负胶胶厚要高于所需凸点高度；光刻出蒸镀窗口，侧壁要陡直，侧壁角>85°。
* 蒸镀UBM和凸点材料：采用多源电子束镀膜机，蒸发前要用等离子体打底膜；然后依次按要求蒸镀UBM（如Ti/Cu）和凸点材料Pb、Sn（镀膜厚度按合金比例计算），蒸发入射角根据对凸点高度容差要求确定。
* 剥离形成凸点。在N2/H2保护下进行回流处理。利用其熔融时的张力形成半球状凸点。
b）采用蒸发法制铝凸点：即在厚胶光刻后直接蒸镀厚 铝（不需UBM），然后剥离形成凸点，并在N2/H2保护下进行退火处理（350-400℃）。需要注意的是，厚胶光刻后不仅
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要去底膜，还要去氧化铝膜，以确保两层铝间低欧姆接触；具体方法是蒸发前用氩离子轰击或在装片前用1：20稀HF溶液漂洗15″—20″。
由于蒸发法制凸点需高温退火或回流处理，因此它不适用于高频声表面波器件。 4） 模板（丝网）印刷法：主要优点是工艺简单，操作方便，凸点一致性好，成本低， 生产效率高。缺点是凸点尺寸较大，节距受到限制，目前比较成熟的工艺节距仅作到150µm。模板印刷法UBM的制作可采用剥离工艺，UBM的选择由凸点和芯片压焊块性质确定。凸点材料是由金属（合金）粉末和焊剂配制而成的焊膏，合金份含量高黏度就大，可根据工艺要求调整黏度；回流温度是由焊膏中合金成分的比例决定，经回流使焊剂从凸点中挥发，并通过表面张力使凸点呈半球状。（因该法需高温回流，故不适宜于高频声表器件）
5） 植球法：将金属（合金）球直接植于芯片压焊点（或UBM）上，此法简单直接、洁 净，成本低。缺点是凸点需逐个制作，效率低；凸点尺寸大，高度一致性较差。
a）激光植球：是将成品金属（合金）球先放置在芯片压焊点（或UBM）上，然后用激 光加热熔焊。其凸点常采用SnPb、SnAg、SnCu、AuSn、SnAuCu、Au等；当凸点为软焊料时，UBM可采用Ni（1-2μm）/Au（0.1-0.2μm），（当凸点为硬焊料时，可采用Ti/W/Au）。 b）回流植球：是将成品金属（合金）球用焊料粘合在芯片压焊点（或UBM）上，金属 （合金）球通过回流熔融呈半球状，同时其表面张力还会产生良好的自对中效果。凸点和UBM材料可根据器件和工艺要求选择。（该法不适宜于高频声表器件） c） 金丝球焊切尾植球：该工艺是直接用金丝引线（φ:25-30μm） 制作金球凸点。通过超声热压使金球凸点与芯片上的焊接点金属（铝或金）形成分子间键合，使金凸点直接粘附于芯片，金凸点的高度、直径可通过工艺参数调整。具有工艺简单、设备简单、工艺卫生等优点，这也是我公司在高频项目上选择该法植球的原因。
* 加厚芯片压焊点铝膜：在金铝键合及其后的工艺过程中，温度 低于200℃（金铝反应温度≥200℃），及j、d之间关系满足：j/d > 4 时（见右图）。将会在一定程度上防止金铝反应生成不利键合的金属
间化合物。由于声表制作工艺满足上述条件，金丝切尾植球可不用UBM。
当芯片铝压点很薄时，为保证键合强度，一般应加厚铝膜到6000-8000A°。铝膜加厚方法采用光刻-镀膜-剥离工艺；为确保两铝层间低欧姆接触，可用腐蚀或氩离子轰击处理（见前“采用蒸发法制铝凸点）。
* 金球凸点制作过程：打火熔球—键合—拉断金丝形成凸点—整平凸点。 金球凸点制作与金丝球焊机理基本相同。首先在劈刀毛细管顶部 打火熔球，之后降低劈刀使所熔金球与芯片铝焊点相接触，芯片加热100℃左右（温度根据芯片指间距而定，温度过高，芯片指条间打火严重），加适当的压力和超声功率，使之变形并与芯片焊点键合在一起，形成金凸点；随后提升毛细管，在球的上方拉断金丝，仅在金凸点上端留少量微丝。
在芯片凸点制作中，整个芯片上金凸点高度的一致性是十分关键的参数，否则，倒装芯片时会造成凸点损伤或断路。为得到高度一致的凸点，需对凸点进行整平，它是通过一种特殊的劈刀对凸点向下施加一定压力，使顶端变的平坦；同时还需综合优化包括温度、功率、压力等各项工艺参数。优化后凸点高度一致性小于±4µm，
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剪切强度为0.07g/µm；远高于国内无氰电镀金凸点剪切强度11.8 mg/µm2的水平。
6） 对凸焊点UBM质量考核：
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对UBM质量的两个关键要求是：良好的粘附性和扩散阻挡性。在进行如焊料退火或焊 点回流等高温处理时，必须能保证凸点材料不会穿透UBM而进入下面芯片的铝压焊膜中；而且，UBM还必须具有良好的机械性能、导热性能和电性能，及与芯片铝压点和凸焊点形成良好的欧姆接触。考核凸焊点UBM的质量，主要考察项目及具体方法见下表：
考察项目 热稳定性
试验方法 多次回流 高温存储 压力蒸汽 温度循环
实验条件及指标 根据器件特性确定
实验内容
金属化系统变化；凸点剪切强度和失效模式变化； 金属化系统变化；凸点剪切强度和失效模式变化； 接触电阻的变化；凸点拉力强度和失效模式变化；
金属化系统变化；凸点剪切强度和失效模式变化； 接触电阻的变化；
抗腐蚀能力 热-力学可靠性
在进行剪切力测试时，应选择UBM上方2µm处，若选点太高，则测的是凸点强度。测接触电阻，可用四探针检测，要求尺寸同为100µm×100µm的金凸点，电阻为1mΩ；Sn63Pb37凸点，电阻为21mΩ；经高温存储后，增加量不得超过20%。对实验结果的观察分析，常通过扫描电镜、透射电镜、X射线衍射仪等高精度仪器进行。就具体应用而言，检测剪切力和接触电阻即可。 （三）倒装焊接：
倒装焊接有热超声焊接、回流焊接、热压连接、环氧树脂导电胶焊接等方式。 1， 热超声焊接：
它是在引线键合的基础上发展而来，除具有倒装焊接的共性外，还具有工艺简单；连接 效率高；干燥、清洁；可靠性好；及因采用低压低温，有利于对芯片的保护等优点，该焊接方法为我公司高频声表项目所选用，是极具发展潜力的一种新型工艺。
1）工艺机理：凸点界面形成的过程相当复杂，其中的物理机制还没有很完整的解释，一 般认为热超声倒装焊可分为以下阶段：a）接触和予变形阶段：在给定压力下，凸点与底座接触并在一定程度上被压扁和变形。b）净化阶段：通过超声作用清除界面的氧化物和污染层。c）扩散和结合阶段：在键合压力和超声波作用下，新鲜的金属表面密切接触并发生原子扩散，产生原子键合。由此可见，界面形成的结合力与凸点本身材料特性，以及焊接参数密切相关；由于超声能量使凸点软化变形，从而使焊接所需要的其它条件如温度和压力降低。（美国POLAMAR公司介绍，在制金球和倒装焊工艺中，将超声频率从60KHz提高到120 KHz，可不必加热）
2）倒装焊接工艺流程： 凸点制作—基板（底座）制作—芯片和基板（底座）的连接。 a）基板（底座）制作：凸点制作如前所述。声表基板多采用陶瓷（AIN），它具有易成 型、成本低、工艺简单、高导热率、电性能优良、机械性能好且无毒等优点。底座焊点金属化常采用Cu（0.25mm）/Ni（2.5μm）/Au（1μm）或Au/TiW，以提高凸点连接质量。 b）芯片和基板（底座）的连接：连接采用适用于倒装焊的全自动贴片机，该机有三个摄像头，分别监控底座、取片和放片，取放片采用两个机械臂，底座被放置在一加热板上，加热温度150-200℃。操作时，利用机械臂将取出的芯片翻转180°后准确、迅速的放到底座上，使芯片凸点与底座相应焊点对准，然后对芯片施加压力和超声波能量，使凸点发生形变并与底座可靠连接。焊接强度除与焊接材料有关外，主要由加热温度、压力、超声能量和焊接时间等决定。 2， 回流焊接：
它是利用机械和对准装置将芯片倒扣放置在底座对应位置，在加热炉内，通过凸点和底座压块金属（对不同凸点，需采用相应的金属膜层）之间，发生溶解、润湿和相互扩散而形成新的合金层，实现连接。
回流焊的方式很多，目前最流行的是全热风炉和红外加热风炉。在回流过程中要根据不 同的凸点材料正确选择各区域（预热区、加热区、回流区、冷却区）的加热温度和时间，峰
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值温度应高于凸点材料熔点20-50℃；同时，还应注意升降温速度，一般情况，在温度低于100℃时，升温速度 < 6℃/s；高于100℃时，升温速度 < 3℃/s；在冷却区，最大冷却速度要 < 6℃/s；以免损坏芯片。回流焊可靠性较高，主要应用于软焊料如（Sn/Pb）的连接，Sn/Pb易氧化，回流可采用还原性气体保护。 3， 热压焊接：
和金丝的热压键合原理相同，是通过温度和压力实现连接；主要应用于金凸点倒扣。当底
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座焊接点为镀金时，典型的热压焊工艺条件是：焊头450℃，底座200℃，压力300-400N/cm，焊接时间0.5-2s（对热压连接要有足够压力使凸点产生较大变形 （30%），确保键合强度；但太大压力会使芯片碎裂）。由于热压连接需较大的压力和较高的温度，固不适宜于声表器件倒装焊接。
4， 环氧树脂导电胶焊接：
正在发展的导电胶由予聚体、稀释剂、交联剂、催化剂、金属粉末和其它添加剂组成，体系在储存条件下具有流动性，通过加热或其它方式固化而形成一定强度的连接。导电胶分为各向同性导电胶（ICA）和各向异性导电胶（ACA），ACA只在Z方向导电，在X、Y方向不导电，当前实用化的ACA有两种：以薄片、粘结膜形态呈现的各向异性导电膜（ACF），和以膏状形态呈现的导电胶（ACP）。
ACA的原理是将镀金属的树脂粒子（导电微粒）分散于树脂绝缘热压胶中，制成一种特殊薄膜；导电微粒从内到外由有机聚合物小球、镀镍层和镀金层构成，当在Z方向施加压力时，导电微粒的金属表面层相互接触而导电。
ACA的各向异性适合于倒装芯片的连接，具有工艺简单，可低温下焊接等优点，但存在寄生电阻大，可靠性差等不足。目前还不适合用于声表器件，在此仅作为一种新工艺予以介绍。
编者：杜文玺 duwenxiabc@yahoo.com.cn
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