什么是凸塊制造（Bumping）技術
行業資訊 | 2023-04-23 16:29
凸塊制造技術是各類先進封裝技術得以進一步發展演化的基礎，在集成電路封裝中具有重要意義。倒裝（FC）、扇出型（Fan-out）封裝、扇入型（Fan-in）封裝、芯片級封裝（CSP）、三維立體封裝）（3D）、系統級封裝（SiP）等先進封裝結構與工藝實現的關鍵技術均涉及凸塊制制造技術。硅通孔技術（TSV）、晶圓級封裝（WLP）、微電子機械系統封裝（MEMS）等先進封裝結構與工藝均是凸塊制造技術的演化和延伸。
凸塊制造技術（Bumping）是在芯片上制作凸塊，通過在芯片表面制作金屬凸塊提供芯片電氣互連的“點”接口，廣泛應用于 FC、WLP、CSP、3D 等先進封裝。凸塊是定向生長于芯片表面，與芯片焊盤直接相連或間接相連的具有金屬導電特性的凸起物。凸塊工藝介于產業鏈前道集成電路制造和后道封裝測試之間，是先進封裝的核心技術之一。凸塊制造過程一般是基于定制的光掩模，通過真空濺鍍、黃光、電鍍、蝕刻等環節而成，該技術是晶圓制造環節的延伸，也是實施倒裝（FC）封裝工藝的基礎及前提。相比以引線作為鍵合方式傳統的封裝，凸塊代替了原有的引線，實現了"以點代線"的突破。該技術可允許芯片擁有更高的端口密度，縮短了信號傳輸路徑，減少了信號延遲，具備了更優良的熱傳導性及可靠性。此外，將晶圓重布線技術（RDL）和凸塊制造技術相結合，可對原來設計的集成電路線路接點位置(I/O Pad)進行優化和調整，使集成電路能適用于不同的封裝形式，封裝后芯片的電性能可以明顯提高。凸塊制造技術起源于 IBM 在 20 世紀 60 年代開發的 C4 工藝，即"可控坍塌芯片連接技術"(Controlled Collapse Chip Connection')，該技術使用金屬共熔凸點將芯片直接焊在基片的焊盤上，焊點提供了與基片的電路和物理連接，該技術是集成電路凸塊制造技術的雛形，也是實現倒裝封裝技術的基礎，但是由于在當時這種封裝方式成本極高，僅被用于高端 IC 的封裝，因而限制了該技術的廣泛使用。(a) IBM 的首個具有 3 個端子晶體管的倒裝芯片組件；(b) IBM 首個在陶瓷基板上的倒裝芯片組件（3 個芯片）C4 工藝在后續演化過程中逐漸被優化，如采用在芯片底部添加樹脂的方法，增強了封裝的可靠性。這種創新使得低成本的有機基板得到了發展，促進了 FC 技術在集成電路以及消費品電子器件中以較低成本使用。此外，無鉛材料得到了廣泛的研究及應用，凸塊制造的材料種類不斷擴充。在 20 丗紀 80 年代到 21 世紀初，集成電路產業由日本轉移至韓國、中國臺灣，集成電路細分領域的國際分工不斷深化，凸塊制造技術也逐漸由蒸鍍工藝轉變為濺鍍與電鍍相結合的凸塊工藝，該工藝大幅縮小了凸塊間距，提高了產品良率。近年來，隨著芯片集成度的提高，細節距（Fine Pitch）和極細節距（Ultra Fine Pitch）芯片的出現，促使凸塊制造技術朝向高密度、微間距方向不斷發展。凸塊制造技術是諸多先進封裝技術得以實現和進一步發展演化的基礎，經過多年的發展，凸塊制作的材質主要有金、銅、銅鎳金、錫等，不同金屬材質適用于不同芯片的封裝，且不同凸塊的特點、涉及的核心技術、上下游應用等方面差異較大，具體情況如下：金凸塊，Gold Bumping，是一種利用金凸塊接合替代引線鍵合實現芯片與 基板之間電氣互聯的制造技術，主要用于顯示驅動芯片封裝。金凸塊制造技術主要用于顯示驅動芯片的封裝，少部分用干傳感器、電子標簽類產品。目前，LCD、AMOLED 等主流顯示面板的驅動芯片都離不開金凸塊制造工藝，后續可通過倒裝工藝將芯片倒扣在玻璃基板（Glass）、柔性屏幕（Plastic）或卷帶（Film）上，利用熱壓合或者透過導電膠材使凸塊與線路上的引腳結合起來。銅鎳金凸塊，CuNiAu Bumping，是一種可優化 I/O 設計、大幅降低了導通電阻的凸塊制造技術，凸塊主要由銅、鎳、金三種金屬組成，可在較低成本下解決傳統引線鍵合工藝的缺點。在集成電路封測領域，銅鎳金凸塊屬于新興先進封裝技術，近年來發展較為迅速，是對傳統引線鍵合（Wire bonding）封裝方式的優化方案。具體而言，銅鎳金凸塊可以通過大幅增加芯片表面凸塊的面積，在不改變芯片內部原有線路結構的基礎之上，對原有芯片進行重新布線（RDL），大大提高了引線鍵合的靈活性。此外，銅鎳金凸塊中銅的占比相對較高，因而具有天然的成本優勢。由于電源管理芯片需要具備高可靠、高電流等特性，且常常需要在高溫的環境下使用，而銅鎳金凸塊可以滿足上述要求并大幅降低導通電阻，因此銅鎳金凸塊目前主要應用于電源管理類芯片。銅柱凸塊，Cu Pillar，是一種利用銅柱接合替代引線鍵合實現芯片與基板之間電氣互聯的制造技術。銅柱凸塊技術是新一代芯片互連技術，后段適用于倒裝（FC）的封裝形式，應用十分廣泛。銅柱凸塊技術是在覆晶封裝芯片的表面制作焊接凸塊，以代替傳統的打線封 裝，可以縮短連接電路的長度、減小芯片封裝體積，使其具備較佳的導電、導熱和抗電子遷移能力。銅柱凸塊制造主要步驟包括再鈍化、真空濺鍍、黃光、電鍍、蝕刻等，具體工藝流程圖如下：錫凸塊Sn Bumping，是一種利用錫（Sn）接合替代引線鍵合實現芯片與基板之間電氣互聯的制造技術。錫凸塊結構主要由銅焊盤（Cu Pad）和錫帽（SnAg Cap）構成（一般配合再鈍化和 RDL 層），錫凸塊一般是銅柱凸塊尺寸的 3~5 倍，球體較大，可焊性更強（也可以通過電鍍工藝，即電鍍高錫柱并回流后形成大直徑錫球），并可配合再鈍化和重布線結構，主要用于 FC 制程。錫凸塊技術可以為電鍍焊錫或植球焊錫，一般情況下，電鍍焊錫尺寸可控制的更小。錫凸塊多應用于晶圓級芯片尺寸封裝，可以達到小尺寸封裝，滿足封裝輕、薄、短、小的要求。半導體成為人們日常生活最重要的組成部分。關注福訊電子，為您帶來更多行業前沿咨訊。
