在先进封装中,“Bump” 通常指凸块,是一种关键的连接技术。它是在芯片表面制作的小凸起,一般只有几十到几百微米大小,主要作用是提供芯片与其他电子元件之间的电气连接,从倒装焊FlipChip出现就开始普遍应用了,Bump的形状也有多种,最常见的为球状和柱状,也有块状等其他形状。Bump起着界面之间的电气互联和应力缓冲的作用,从Bondwire工艺发展FlipChip工艺的过程中,Bump起到了至关重要的作用。随着工艺技术发展,Bump尺寸越来越小:Bump的发展趋势是尺寸不断缩小,从球栅阵列焊球(BGA ball),其直径范围通常在0.25-0.76mm,到倒装凸点(FC Bump),也被称为可控塌陷芯片焊点(C4 solder joint),其直径范围通常在100-150μm。行业内正朝着 20μm 甚至小于 10μm 的方向推进,凸点间距越小,凸点密度越高,封装集成度越高,技术难度也越大。对于 20μm 以上的间距,可采用基于热压键合(TCB)的微凸块连接技术,未来混合键合(HB)铜对铜连接技术有望实现 10μm 以下的凸块间距和更高的凸点密度,并带动带宽和功耗双提升。工艺流程:通常包括清洗、溅镀、曝光、显影、电镀、去胶、蚀刻和良品测试等环节。具体而言,先在晶圆表面沉积钛或钛钨作为阻挡层,再沉积铜等作为种子层;然后旋涂光刻胶,通过光刻曝光和显影得到所需图形;接着进行电镀形成凸点下金属化层(UBM),去除光刻胶并蚀刻掉多余的种子层和阻挡层;之后进行植球工序,将助焊剂和锡球印刷到 UBM 上;最后经过回流炉使锡球熔化与 UBM 形成良好结合。凸块制造技术是诸多先进封装技术实现和发展演化的基础:经过多年的发展,凸块制作的材质主要有金、铜、铜镍金、锡等,不同金属材质适用于不同芯片的封装,且不同凸块的特点、涉及的核心技术、上下游应用等方面差异较大。
一、金凸块
主要特点:优点:高导电性、抗腐蚀性强、键合工艺成熟、无需底部填充(Underfill)。缺点:成本高(黄金价格昂贵)、硬度低易变形、高温下可能与焊料形成脆性金属间化合物(IMC)。关键参数:典型尺寸为 50-150μm,间距 100-250μm。应用领域:1)高频、高可靠性器件:RF模块、光通信器件、毫米波雷达;2)医疗、航空航天:植入式医疗设备、卫星电子元件;3)Flip Chip 封装早期应用:如早期手机芯片、FPGA。
二、铜镍金凸块
主要特点: 优点:结合铜的低成本和金的抗腐蚀性,Ni 层作为扩散阻挡层抑制 Cu-Sn IMC 生长。 缺点:工艺复杂度高(三层金属沉积),需严格控制 Ni 层厚度(过薄易穿透,过厚易脆)。 关键参数:Cu柱高度50-100μm,Ni层厚度3-5μm,Au层厚0.3-1μm。 应用领域:1)汽车电子:ECU(电子控制单元)、功率模块;2)工业设备:高可靠性传感器、控制器;3)消费电子:中高端手机摄像头模组、指纹识别芯片。
三、铜柱凸块
主要特点:优点:低电阻(铜导电性优于锡)、高热导率、更好的机械稳定性(抗跌落测试)、适合细间距(≤50μm)。缺点:易氧化(需表面处理)、Cu-Sn IMC 生长可能导致可靠性问题。关键参数:Cu柱直径 10-50μm,高度 30-60μm,表面通常有 Ni/Au 或 Sn/Ag 涂层。应用领域:1)高性能计算:CPU、GPU、HBM(高带宽内存);2)5G 通信:RF 前端模块、高速 SerDes 芯片;3)AI 芯片:需要高密度 I/O 的 ASIC、FPGA。
四、锡凸块
主要特点:优点:工艺简单、成本低、自对准能力强(回流时液态表面张力)。缺点:电性能较差(电阻高于铜)、热循环可靠性有限(锡易疲劳)。关键参数:典型成分为 SnAgCu(SAC)合金,尺寸 30-200μm,间距 50-400μm。应用领域:1)消费电子:智能手机、平板电脑、可穿戴设备;2)存储芯片:DDR、NAND Flash 封装;3)低成本/中低端器件:如 WiFi 模块、蓝牙芯片
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