近年來隨著電子產(chǎn)品的小型化發(fā)展，窄節(jié)距倒裝芯片互連已經(jīng)成為研究熱點。傳統(tǒng)的倒裝芯片組裝后底部填充技術（ 例如底部毛細填充） 在用于窄節(jié)距互連時易產(chǎn)生孔洞，導致可靠性降低，因此產(chǎn)業(yè)界開發(fā)了面向窄節(jié)距倒裝芯片互連的預成型底部填充技術，主要包括非流動底部填充和圓片級底部填充。介紹了這類新型底部填充技術的具體工藝及材料需求，并提出了目前其在大規(guī)模量產(chǎn)以及未來更窄節(jié)距應用中存在的問題及挑戰(zhàn)，總結(jié)了目前產(chǎn)業(yè)界在提高量產(chǎn)生產(chǎn)效率、提升電互連的可靠性以及開發(fā)納米級高熱導率填料等方面提出的解決方案，分析了該技術未來的發(fā)展方向。

 

1 引言

 

傳統(tǒng)的底部填充技術是在完成倒裝芯片互連之后進行的，因此也被稱為組裝后底部填充技術（Post-assembly Underfill）。應用最為廣泛的是毛細底部填充（CUF）和模塑底部填充（MUF）。近年來隨著系統(tǒng)集成度不斷提高，倒裝芯片上凸點的尺寸和節(jié)距也變得越來越小，凸點節(jié)距小于 100 μm，甚至不大于10 μm，傳統(tǒng)的組裝后底部填充技術由于是在凸點互連之后才進行底部填充的，常常會出現(xiàn)凸點間填充不完全到位、產(chǎn)生孔洞等缺陷，使封裝互連的可靠性降低。

 

為了適應倒裝芯片窄節(jié)距互連的填充需求，產(chǎn)業(yè)界提 出了 一種 新型 的預 成型 底部 填充 技術（PreassemblyUnderfill）。這種方法既能簡化工藝，又能對窄節(jié)距互連（小于 100 μm）進行良好的底部填充。此外，研究機構(gòu)還提出了一些方法對預成型底部填料的性能進行改進，從而實現(xiàn)低熱膨脹系數(shù)（約 20×10 -6 /℃）、低粘度（小于 20 Pa·s）以及高熱導率[大于1 W·(m·K) -1 ]等優(yōu)良性能，進一步提高了預成型底部填充的可靠性。

 

本文將聚焦于窄節(jié)距倒裝芯片互連中的預成型底部填充技術，介紹該技術的工藝流程以及材料特性，并針對其在實際生產(chǎn)中遇到的問題，總結(jié)目前已有的解決方案并預測這種技術未來的發(fā)展趨勢。

 

2 預成型底部填充技術

 

傳統(tǒng)的組裝后底部填充技術主要適用于大節(jié)距凸點互連中，而對于節(jié)距小于 100 μm 的倒裝芯片凸點互連，如仍采用這種技術，易在填充時產(chǎn)生大量孔洞，如圖 1 所示。因此，對于窄節(jié)距倒裝芯片互連，目前產(chǎn)業(yè)界多采用預成型底部填充技術。

 

預成型倒裝芯片底部填充技術是指底部填料在芯片互連之前就被施加在芯片或基板上，在后續(xù)的回流或熱壓鍵合過程中，芯片凸點互連與底部填充固化同時完成。該技術主要可以歸納為 2 種方法：非流動底部填充（NUF）和圓片級底部填充（WLUF）。

 

2.1 非流動底部填充

 

美國佐治亞理工學院于 1996 年首先提出了非流動底部填充技術并成功應用于無鉛 C4 凸點的倒裝芯片組裝，具體工藝流程如圖 2 所示。該技術省去了單獨的助焊劑涂敷、底部填料的毛細流動注入和助焊劑清洗步驟，將焊料凸點回流和底部填充劑固化結(jié)合為一個步驟，從而既消除了底部填充時易產(chǎn)生的孔洞又提高了底部填充工藝的生產(chǎn)效率。

 

近年來，針對倒裝芯片窄節(jié)距凸點的非流動底部填充技術也取得了發(fā)展。AMKOR 首先提出了利用非導電漿料（NCP）用作非流動底部填料，在實現(xiàn)凸點互連的同時完成 NCP 的固化，其工藝流程如圖 3 所示。

 

早期針對大節(jié)距凸點（圖 2）的非流動底部填充技術是通過回流來實現(xiàn)凸點互連與底部填料固化的，為了避免底部填料中的 SiO 2 顆粒鑲嵌在互連界面影響接頭的形成與電互連的可靠性，早期的底部填料中不含或只含很少的 SiO 2 填料。在基于 NCP 的非流動底部填充中（圖 3），由于在鍵合過程中施加壓力可以減少 SiO 2 顆粒在互連界面的鑲嵌，因此 NCP 材料中含有 SiO 2 填料，同時有研究表明隨著 NCP 中 SiO 2 填料質(zhì)量百分比的增加，NCP 材料的熱膨脹系數(shù)（CTE）會減小，而粘度和楊氏模量會增加，組裝的可靠性也隨SiO 2 填料的增加而有所提高。目前 NCP 非流動底部填充技術已經(jīng)成功應用于 Samsung 手機處理器的封裝中，如圖 4 所示。

 

2.2 圓片級底部填充

 

為了進一步提高生產(chǎn)效率，產(chǎn)業(yè)界在非流動底部填充技術的基礎上提出了圓片級底部填充技術。通過旋涂或?qū)訅旱姆绞綄⒌撞刻盍鲜┘釉谡麄€圓片上，然后將圓片劃片切成單顆的芯片，最后通過回流或熱壓鍵合來實現(xiàn)芯片與芯片 / 基板之間的凸點互連與底部填料固化。

 

目前應用較為廣泛的圓片級底部填料是非導電薄膜（NCF），NCF 是以膜的形式存在，可以通過夾在聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）之類的塑料薄膜中以卷材形式使用。這種特性有利于 NCF 在圓片級底部填充工藝中的應用，其工藝流程如圖 5 所示 ，首先在圓片正面真空層壓 NCF，然后在圓片背面貼劃片膜，通過劃片將圓片切成單顆芯片，最后倒裝芯片經(jīng)過熱壓鍵合實現(xiàn)互連與固化成型。這種基于 NCF 的圓片級底部填充技術多應用于節(jié)距為 40~80μm 的微凸點互連中。

 

圓片級底部填充工藝成功的關鍵是要保證在劃片之前，圓片上的底部填料處于半固化狀態(tài)（B-Stage，或稱 B- 階），具有足夠的機械強度和穩(wěn)定性以滿足后續(xù)劃片、儲存等的需求，圖 6 為劃片后的芯片邊緣照片，沒有發(fā)現(xiàn)底部填料的變形。同時處于 B- 階的底部填料也具有“可回流性”，即具有熔化和流動的能力，從而在后續(xù)互連過程中焊料帽能夠浸潤焊盤并形成焊點。因此，對于成功的圓片級底部填充而言，保證底部填料處于 B- 階以及控制后續(xù)的熱壓固化工藝是至關重要的。

 

同為預成型底部填充，NCF 的生產(chǎn)效率要比 NCP高很多，因為 NCF 可以在整個圓片上進行層壓；同時NCF 工藝也較 NCP 更好控制，如熱壓過程中 NCP 的溢出較難控制，限制了其在三維封裝方面的應用。但NCF 的缺點是流動性較 NCP 差，導致互連界面殘留的底部填料較多，降低了接頭的電互連可靠性；同時它不能靈活應對具有不同凸點高度的芯片，只能考慮配以不同厚度的膜。目前，Sanyo、Hitachi、Tohoku、DOW、Hynix、KAIST/Samsung 、Amkor/Qualcomm 和 Toray 等都對基于 NCF 的圓片級底部填充技術進行了研究，并應用于 2.5D/3D 集成中。圖 7 為 Samsung 在其動態(tài)隨機存儲器中應用NCF 底部填充技術的實例，它實現(xiàn)了基于硅通孔（TSV）的 4 層存儲芯片的互連與底部填充。

 

NCP 和 NCF 材料主要由基體膠、稀釋劑、增韌劑和其他添加劑組成。基體膠主要有環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、聚酰亞胺及熱塑性塑料等；稀釋劑通常主要包括醇類、酯類稀釋劑等；增韌劑包括低分子液體改性劑等非反應性增韌劑。NCP 材料的主要供應商有Henkel、Namics、Nagase、Hitachi、Panasonic 等，NCF 的供應商有 Henkel、Hitachi、Toray、Nitto Denko、Namics、Sumitomo 等。

 

3 預成型底部填充技術的最新進展

 

目前，利用 NCP/NCF 作為底部填料的預成型底部填充技術在窄節(jié)距倒裝互連的三維堆疊存儲芯片以及圖像傳感器芯片等方面都得到了較為廣泛的研究與應用，但是在面向大規(guī)模量產(chǎn)和未來進一步的窄節(jié)距倒裝互連時還存在一定的技術挑戰(zhàn)，未來還需要在提高量產(chǎn)生產(chǎn)效率、提升電互連的可靠性以及開發(fā)納米級高熱導率填料等方向繼續(xù)發(fā)展。

 

3.1 提高量產(chǎn)生產(chǎn)效率

 

預成型底部填充技術多用于節(jié)距小于 100 μm 的凸點互連，與傳統(tǒng)的 C4 凸點大批量回流之后進行底部填充相比，一般一次熱壓過程只能完成一個芯片的鍵合與底部填充，因此整體的生產(chǎn)效率較低。

 

為了提高生產(chǎn)效率，TORAY提出了將熱壓鍵合過程分為 2 個過程進行：第一步是預鍵合，主要實現(xiàn)芯片的拾取和放置；第二步是主鍵合，通過一次熱壓過程完成多個芯片在基板上的鍵合。這種將預鍵合和主鍵合分步（PMD）進行的方法能夠較好地提高生產(chǎn)效率。PMD 工藝流程如圖 8（a）所示。它由 A 和 B 的 2 個并行工序組成，通過分步預鍵合 A 和主鍵合 B 的方法，壓頭的溫度在整個過程中始終保持恒定，如圖 8（b）所示，省去了壓頭升溫和降溫的時間，從而提高了生產(chǎn)效率。此外，預先施加的 NCF 也能夠防止在從過程 A 到過程 B 的基板傳輸過程中芯片的移動。圖 8（d）展示了鍵合后的互連界面截面圖。

 

TORAY 這種分步鍵合的方法也可以用在芯片堆疊中以提高生產(chǎn)效率，如圖 9 所示。圖 10 為用這種方法鍵合后的三維芯片堆疊截面示意圖，可以看到能夠?qū)崿F(xiàn)良好的三維堆疊互連。

 

3.2 提高電互連可靠性

 

預成型底部填充技術在實際應用中的另一個主要問題是凸點處的電互連可靠性。由于底部填料在凸點互連之前就已經(jīng)鋪展在芯片載體上了，因此在凸點互連過程中，底部填料中的 SiO 2 填料很容易殘留在凸點之間，如圖 11 所示，從而降低互連的導電性能和載流能力，影響在高溫 / 高濕或熱循環(huán)下的可靠性。

針對以上問題，很多公司及研究機構(gòu)都提出了相應的解決方案，主要包括雙層工藝、兩步工藝、混合鍵合以及自組裝技術等。

 

佐治亞理工學院、HITACHI等提出了使用兩層非流動底部填料的方法。雙層底部填充方法工藝流程如圖 12 所示：首先在基板上施加一層底部填料，這種材料具有相對較高的粘度且不含 SiO 2 填料，然后在其上面再滴涂一層含有 SiO 2 的底部填料，最后將芯片放置在基板上進行鍵合，實現(xiàn)凸點互連與底部填料的固化。已有文獻報道用含 65%（質(zhì)量分數(shù)）的 SiO 2 填料的頂層底部填料可以實現(xiàn) 100%的互連良率。使用這種雙層工藝雖然可以避免 SiO 2 顆粒的嵌入，但是在實際工藝過程中，需要對各工藝參數(shù)以及材料參數(shù)進行精確的控制，如底層材料的厚度和粘度對焊料凸點的潤濕性起至關重要的作用，鍵合過程中的壓力以及溫度直接影響了 2 種材料的融合固化以及焊料凸點的互連等，因此實際生產(chǎn)中工藝窗口很窄。此外，由于該工藝中使用了 2 種底部填料，大大增加了工藝步驟和工藝成本。

 

TORAY、IME等還提出了 2 步工藝的方法解決互連可靠性問題。即在圓片上施加 NCF 之后，通過化學機械拋光（CMP）、快速切割等方法，對凸點和底部填料的表面進行處理，一方面實現(xiàn)表面的平坦化，另一方面也可以去除凸點表面的底部填料，從而解決 SiO 2 填料的嵌入問題。利用快速切割的方式去除凸點上的底部填料工藝流程如圖 13 所示。圖 14 展示了表面處理后的效果，可以看到 CMP 之后凸點能夠完全暴露出來。該方法的缺點是增加了工藝成本和工藝難度。在化學機械拋光中，需要選擇合適的拋光液，從而同時實現(xiàn) Cu/Sn 凸點與底部填料的平坦化。研究表明，對于嵌入底部填料中 Sn 凸點的化學機械拋光，其對拋光液的酸堿性有很強的依賴性，選擇酸性-中性的拋光液能夠?qū)崿F(xiàn)更加平坦的表面。此外，利用快速切割的方法，容易在凸點及底部填料表面產(chǎn)生比較大的劃痕。為了簡化工藝、降低成本，早稻田大學提出了一種更為簡單的結(jié)合等離子刻蝕的熱壓平整化工藝，如圖 15 所示，也可以達到預期的效果。

 

為了去除凸點表面的底部填料，提出了采用光敏光刻膠作為底部填料的方法。在完成圓片上的凸點制作之后，先旋涂一層光敏光刻膠作為底部填料，然后利用光刻技術對光刻膠進行圖形化處理，去除凸點上的光刻膠，工藝流程如圖 16 所示。由于凸點鍵合與光刻膠固化同時實現(xiàn)，該方法被稱為混合鍵合。常用的光敏光刻膠有 BCB、PI、SU-8 等。目前有許多研究機構(gòu)都對混合鍵合技術進行了研究。大連理工大學利用 Cu-SnAg 固液擴散鍵合技術來實現(xiàn)凸點互連，并采用 B- 階干膜作為光敏光刻膠來實現(xiàn)底部填充，其鍵合工藝參數(shù)（溫度 / 時間 / 壓力） 為 240 ℃/10 min/10 kN，最終通過控制凸點厚度與有機物厚度同時實現(xiàn)了凸點互連以及光刻膠的固化。臺灣交通大學也對混合鍵合進行了研究，在利用 Cu-Sn 固液擴散鍵合技術實現(xiàn)凸點互連的基礎上，對比優(yōu)化了使用不同光敏光刻膠（PI、SU-8 以及 BCB）對應的最佳鍵合工藝參數(shù)。清華大學采用了獨特的非對稱混合鍵合結(jié)構(gòu)，即只在頂部圓片上進行光刻膠的旋涂、光刻等，而不對底部圓片進行任何工藝操作，從而保護了底部圓片上的器件結(jié)構(gòu)，使其適用于 MEMS 圓片鍵合中。但由于光刻膠中一般不含 SiO 2 顆粒，其 CTE 值較常規(guī)底部填料高，因此使用混合鍵合方法對封裝體整體可靠性的影響還需深入研究。

 

佐治亞理工學院 WONG 等還提出了一種新的自組裝技術來解決 SiO 2 顆粒的嵌入問題，通過對焊盤及鈍化層的表面預處理，使銅焊盤表面疏水而鈍化層Si 3 N 4 表面親水，從而實現(xiàn)底部填料的自組裝，如圖 17所示。研究結(jié)果表明，表面處理后的焊盤和鈍化層表面的水接觸角差值可以達到 119.9° （或底部填料接觸角差值可以達到 91.6°），從而實現(xiàn)了自組裝，解決了凸點互連中底部填料嵌入的問題。圖 17 通過掃描電鏡及能譜測試也展示了表面處理后銅焊盤上幾乎沒有SiO 2 顆粒，成功地實現(xiàn)了底部填料的自組裝。文中還提出該自組裝技術能夠與市場上的商業(yè)底部填充劑相容。

 

3.3 開發(fā)納米級高熱導率填料

 

預成型底部填充技術主要應用于倒裝芯片窄節(jié)距互連中，芯片與基板之間的高度也比較小，傳統(tǒng)底部填料中的微米級 SiO 2 顆粒難以滿足節(jié)距及高度不斷縮小的需要，很容易出現(xiàn)孔洞，因此利用納米級SiO 2 作為填料成為了新的發(fā)展趨勢，圖 18 所示為制得的納米 SiO 2 顆粒。市場上也開始出現(xiàn)了一些較為成熟的填充納米 SiO 2 的底部填料。

 

利用納米 SiO 2 顆粒作為填料還存在一些問題：納米 SiO 2 具有較大的比表面積和表面自由能，易于產(chǎn)生團聚，導致分散性較差；同時，填充納米 SiO 2 后底部填料的粘度急劇增加，流動性變差；此外，嚴重的團聚會使填料與基體之間的界面結(jié)合變?nèi)?，降低底部填料整體的熱機械性能。

 

研究結(jié)果表明，通過溶膠-凝膠法、化學沉淀法等制備得到的 SiO 2 納米顆粒表面存在大量的硅烷醇，會導致底部填料的粘度增加，熱機械性和可靠性也會下降。因此，為制備得到高性能的底部填料，去除 SiO 2 填料表面的-OH 基是非常必要的。表面改性是一種有效的方法，可消除-OH 的負面影響。最廣泛使用的表面改性劑是硅烷偶聯(lián)劑。由于其獨特的結(jié)構(gòu)，其一端可以與 SiO 2 填料發(fā)生物理或化學鍵合，另一端與聚合物基體實現(xiàn)優(yōu)異的相容性，可以顯著改善 SiO 2 在聚合物基體中的分散性和界面相容性。按照硅烷偶聯(lián)劑的添加方法可以分為物理添加和化學改性。物理添加是直接將填料和偶聯(lián)劑混合到環(huán)氧基質(zhì)中，而化學改性是將改性后的 SiO 2 添加到環(huán)氧基質(zhì)中。相比之下，化學表面改性可以在粘度和熱機械性能方面實現(xiàn)更好的改善。圖 19 所示為利用化學改性方法對納米級SiO 2 顆粒進行表面處理后的效果，通過這種方法得到了分散均勻、與聚合物基體界面相容的納米 SiO 2 填料，該復合材料的各項性能（包括粘度、CTE 等）都滿足對底部填料的需求。

 

此外，隨著對底部填料導熱性能的需求進一步增加，需要開發(fā)新的材料來提高材料的熱導率。目前的研究方向為用其他熱導率較高的材料替換 SiO 2 顆粒作為新的填料，從而提高底部填料整體的熱導率。有研究將具有高導熱性的陶瓷填料如氮化硼、氮化鋁、氧化鋁和碳化硅等摻入環(huán)氧樹脂，但是因為要實現(xiàn)高導熱性能，往往需要填充大量的陶瓷填料，而這可能會導致底部填料的熱機械性能變差，粘度變高。也有研究利用銀納米線（AgNWs）作為填料，但銀的導電性能太好，因此底部填料的絕緣性無法得到嚴格的保證。有研究者提出了 AgNWs@SiO 2 核殼結(jié)構(gòu)來作為填料，如圖 20 所示。最終得到的 AgNWs@SiO 2 復合環(huán)氧基底部填料既可以實現(xiàn)較高熱導率 [大于 1 W·(m·K) -1 ]，又能滿足底部填料絕緣性、粘度小于 20 Pa·s 等其他方面的性能需求。

 

4 結(jié)論

 

隨著倒裝芯片底部凸點的節(jié)距越來越小，原來的組裝后底部填充技術已不能適應 100 μm 以下的窄節(jié)距工藝，為了窄節(jié)距芯片互連的需要開發(fā)了預成型底部填充技術，該技術主要包括非流動底部填充和圓片級底部填充兩大類。

 

以 NCP 為代表的非流動底部填充和以 NCF 為代表的圓片級底部填充均已成功應用于實際工業(yè)生產(chǎn)中。NCP 與 NCF 的材料組成基本相同，但 NCP 為液態(tài)，NCF 是以膜的形式存在，兩者工藝不同。

 

針對 NCP/NCF 預成型底部填充技術生產(chǎn)效率較低、電互連可靠性以及材料性能等方面的問題，產(chǎn)業(yè)界提出了多種改進措施：針對提高生產(chǎn)效率，開發(fā)了分步鍵合的方法，該法也能用于芯片三維集成；為解決 SiO 2 顆粒嵌入互連界面的問題，提出了采用雙層工藝、兩步工藝、混合鍵合及自組裝技術等解決方法，以去除凸點表面的底部填料從而得到更為可靠的電互連。底部填料性能的改進主要集中在填料的選擇上：為適應窄節(jié)距互連，采用納米級 SiO 2 填料并對易發(fā)生團聚的納米 SiO 2 顆粒進行表面改性。此外，還可以通過將傳統(tǒng)的 SiO 2 填料替換成熱導率更高的陶瓷粉填料、氧化鋁填料、納米級 AgNWs、AgNWs@SiO 2 等材料來獲得導熱性能和可靠性更高的底部填料，以滿足目前電子產(chǎn)品中更高的散熱需求。今后窄節(jié)距倒裝芯片的底部填充技術和高性能底部填充料的改進都仍將是微電子封裝技術發(fā)展中的重要方向之一。
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