用于圆片级封装的金凸点研制

用于圆片级封装的金凸点研制 王水弟，蔡坚，谭智敏，胡涛，郭江华，贾松良(清华大学微电子学研究所，北京 100084) 摘要：介绍了电镀法进行圆片级封装中金凸点制作的工艺，并对影响凸点成型的主要工艺因素进行了研究。凸点下金属化层(UBM，under bump metallization)溅射、厚胶光刻和厚金电镀是其中的工艺难点，通过大量的实验研究，确定了TiW／Au的UBM体系，得到了优化的厚胶光刻工艺。同时，研制了用于圆片级封装金凸点制作的垂直喷镀设备，选用不同的电镀液体系和光刻胶体系，对电镀参数进行了控制和研究。对制作的金凸点与国外同类产品的基本特性进行了对比，表明其已经达到可应用水平。 关键词：金凸点；凸点下金属化层；厚胶光刻；电镀；喷镀 中图分类号：TN305．94 文献标识码：A 文章编号1003-353X(2004)04-0027-04 1 前言 近五年来，平面显示器和便携式电子产品这两个产业得到快速发展。手机、电子字典、PDA、数码相机等电子产品，由于小巧玲珑、多功能和使用方便， 已成为现代人日常生活不可缺少的产品。由于大型平面显示器具有轻、薄、无辐射和高解析度的优点，已正在逐步取代传统的电视和监视器，IDC对ICD市场的说明了这一点，见表1。 无论是小的手机显示屏，还是大的液晶监视器，都需要驱动器芯片，少则一、两个，多则十几个。LCD驱动器的特点是芯片面积小，一般为(20～30)mm2左右，但是它的I／O端数量较多，约在200～300个以上。图1所示的一款LCD驱动器，管芯面积只有31．32mm’，芯上有324个I／O。如果用传统的IC封装技术封装这类芯片，显然体积大、重量重，不适合便携式电子产品对元器件短、小、轻、薄的要求，所以现在都是采用在硅芯片的压焊块上制作金凸点作为引出端，然后直接倒装焊在液晶显示屏上(COG)。 这种在芯片铝压焊块上制作金凸点作为I／O引出端的封装形式具有45～70皿m左右的窄节距和15-25μm小间距的优点，所以越来越受到封装界的重视。图2是两个制作有金凸点的IC分别安装在基板的两侧，再以BGA的形式封装，显然这种封装形式使芯片的封装密度大大提高，在PCB板上占很小的面积。 2 金凸点的制作 在硅芯片上制作金凸点的方法有电镀法和钉头法等。由于电镀法制作金凸点具有适合I／O端数多、凸点尺寸可大可小和可以实现园片级封装(WLP)等优点，所以目前大多数金凸点制作采用电镀法。普通IC制造工艺的最后一步工序是光刻钝化层，露出铝电极。在硅圆片上电镀法制作金凸点就是在刻完钝化层后进行，主要工艺步骤如图3所示，其中溅射UBM、厚胶光刻和厚金电镀是3个关键的技术。 2．1 溅射UBM 凸点下金属通常由三层金属组成：粘附层、阻挡层和浸润层，它又是电镀的种子层。它要求同下面的铝压焊块有很好的粘附性，能有效地阻止Au凸点同A1、Si之间的相互扩散，避免Au同A1生成不利的金属间化合物，更不能让Au离子进入硅内，影响MOS器件的性能。 可以满足上述用途的材料很多，通过实验，我们选用TiW／Au作为制造金凸点的UBM材料[2]，其厚度分别为TiW200-300nm和Aul00-200nm。 2．2 厚胶光刻 光刻是IC制造工艺中的常规工序，整个制程中要经过几次甚至几十次光刻，但是这类光刻工序中的光刻胶厚度一般只有几百纳米，即使作为离子注入工序中起掩蔽作用的光刻胶，厚度也只有1μm左右。而金凸点的高度是17μm±1．5μm，光刻胶的厚度应该在25μm左右，因此它需要采用粘稠度大的光刻胶、特殊的匀胶机和焦深深的曝光机。 电镀法制作焊料球(如PbSn球)也需要厚胶光刻，但是焊料球在电镀后还有高温回流的工序，所以它对光刻孔的陡直度要求不高。电镀法制造金凸点却不同，虽然光刻胶没有像做焊料球那样厚，但是要求光刻后电镀孔的侧壁陡直，侧壁角要＞85°(如图4所示)，因为金凸点的形状基本上由光刻后电镀孔的形状所决定。如果光刻后电镀孔的形状像图5那样，就不可能电镀出合格的金凸点。 2．3 厚金电镀 镀金工艺已有悠久的历史，很多行业都需要它，包括电子行业中的管壳都需要镀金，但是这些镀金工艺同金凸点的电镀相差甚远。圆片级封装制作金凸点实际上是在整个硅圆片上进行局部电镀。像LCD驱动器，每个金凸点的尺寸为50μm×l08μm×17μm，凸点的间距为20μm，整个硅园片内凸点的均匀度应控制在±2．5μm，管芯内凸点的均匀度则需控制在±1．5μm，显然现有的镀金装置和镀金工艺不能达到上述特殊的要求。为此，我们研制了一台垂直喷镀机[13]，图6是该喷镀机的外形。 传统的电镀方式是挂镀，即阳极和作为阴极的被镀件分别浸入电镀液内，位置相对而放。电镀时通常晃动被镀件，以便让新鲜的电镀液及时补充到被镀件的表面。垂直喷镀机是被镀的硅片正面朝下，电镀液从下面垂直向上喷到硅片的中央，然后向硅片四周流出。 电镀机的关键部件是电镀杯，通过计算机模拟，设计了具有独特结构的电镀杯(已授予中国专利权)，再加上采用脉冲电源、全氟材料和无氰电镀液等措施，保证了电镀的质量。 3 工艺优化 光刻胶有正性光刻胶和负性光刻胶两种，厚刻的曝光量、厚胶的前烘和坚膜以及显影条件等各种工艺参数都影响光刻图形的质量。镀金有有氰电镀和无氰电镀之分，电镀时的电流密度、电镀液的温度和流量等参数也都会影响金凸点的质量，因此，必须进行工艺优化。 LCD驱动器电路设计的两个凸点间的间距是20μm，为了防止在用ACF粘接时相邻金凸点间短路，就必须严格控制金凸点制作过程中的横向扩展[4]。图7是分别用有氰电镀和无氰电镀制作的金凸点横向扩展比较结果。由图可见无氰电镀9V金凸点横向扩展比有氰电镀的小。 实验证明，不同的光刻胶对于凸点的横向尺寸控制有很大的差别。图8和图9是在同一台喷镀机上用无氰镀金液电镀的金凸点，但是图8是用某种进口的正性光刻胶制作的金凸点，图9是用某种进口的负性光刻胶制作的金凸点。对于同样是50μm×108μm的光刻电镀孔，实际电镀后的金凸点尺寸两者差别很大。用正胶光刻制作的金凸点在长、宽两个方向上分别比设计尺寸扩展了10％和16％，见图8所示。而从图9可知，用负胶光刻制作的金凸点在长、宽两个方向分别比设计尺寸只扩展了1％和2％，实验表明用该负性光刻胶制作的金凸点不但横向尺寸控制得比较好，而且电镀出来的金凸点侧壁陡直度也很好，见图10。 4 结论 圆片级封装中采用电镀法制作金凸点有着广阔的应用前景，经过实验和工艺优化，已掌握了其中的关键技术，并已实际应用到手机LCD驱动器的芯片上，表2是实际制作的金凸点测试数据同国外同类产品的技术指标比较。 本文摘自《半导体技术》 深圳金百泽电子科技股份有限公司（www.kbsems.com）成立于1997年，是线路板行业十强企业，总部设在深圳，研发和生产分布在深圳、惠州和西安等地，为客户提供产品研发的PCB设计、PCB快速制造、SMT加工、组装与测试及硬件集成等垂直整合解决，是国内最具特色的电子制造服务提供商。电话：0755-26546699-223