常用的互连技术有两种：引线键合和倒装芯片。引线键合目前仍然是半导体行业的主流技术，也是半导体器件互连的主要方法。但由于倒装芯片技术具有诸多优势，因而获得了越来越多的关注。采用倒装芯片键合制作电连接的方法多种多样，但也不外乎焊膏或焊球两种结构类型。本文以焊接凸点技术为基础，重点研究倒装芯片工艺焊点缩小后产生的效应，并提出了工艺流程的改进方法，即先进的芯片-晶圆键合(AC2W)技术可以提高产能，非常适用于大批量生产。

可控倒塌芯片连接的缩小
实际上，焊接凸点法是可控倒塌芯片连接(C4)工艺中最常用的倒装芯片键合互连技术。C4工艺主要包括UBM、形成焊接凸点、助熔、把芯片预键合到衬底以及最终的组装回流焊工艺。倒装芯片的芯片与封装衬底的实际间距为130μm，这样凸点的直径为80-90μm。为了进一步减小整体封装尺寸，必须缩小间距和焊点直径，但这将使标准C4工艺出现问题。

无连接焊点：由于UBM的外形、焊膏浸润和表面张力，C4工艺出现了“可控倒塌”。这就使最终回流焊之后芯片与衬底之间的距离比最初焊接凸点的高度小10-20%。在组装回流焊之前，焊接凸点出现一定的高度偏差，“可控倒塌”保证了焊点的全面接触。标准高度偏差的减小幅度不能与凸点的倒塌高度的幅度相同。当两个值相同时，组件的良率就会下降，这是因为当焊接凸点的直径小于50um时，C4工艺就不能保证互连焊盘与焊膏的良好接触。

在组装回流焊过程中，使用压力可以有效保证焊球的全面接触(图1)。通过一些限制焊球外形变化的方法，如在某些焊接凸点中已在使用的高熔点焊球，可以确保芯片与衬底有一定的间距，避免焊膏的挤出。

大量金属间化合物：UBM只是暂时将铜与焊膏隔开，在UBM和焊膏之间会自发形成一层金属间化合物(IMC)。通过扩散工艺形成的IMC包含Cu6Sn5或Cu3Sn等金属化合物，在室温下不断生长，且越来越均匀。这时焊点处于热动态非平衡状态，IMC的不断生长将引起失效。最终形成的焊点有三层结构：底部IMC层、焊膏层以及顶部IMC层。由于生长动力学与凸点尺寸没有直接关系，凸点尺寸越小，IMC所占比例就越大，当凸点小于50μm时，在整个寿命周期内，IMC的厚度将占整个焊点的20%。

由此可见，随着焊接凸点的缩小，当所有的Sn消耗殆尽并转变为IMC时，C4工艺就变成了CuSn共晶焊工艺。这时焊点只有一种结构，即IMC层，在进行足够的固化后，焊点进入一种热动态稳定状态，形成Cu3Sn的IMC。与没有xx转变的焊点相比，这种连接具有许多电学和机械优势，如低电阻率、无电迁移、高切变强度和高机械稳定性。与C4相比，这种方法焊膏的使用量明显下降，可以按照铜的体积进行调整(铜5μm，焊膏SnAg 1.5μm)。首次回流工艺对形成凸点并非必须，在进行最终组装回流焊时，焊点的应力缓冲能力可以通过施加压力得到补偿。这一过程不仅促进了焊点与焊盘的接触，还可形成良好的共晶焊。

在上述小型C4互连应用中，通过在最终的回流焊过程中使用压力可以避免由焊点开裂引起的低组装良率问题。下面将介绍一种先进的芯片-晶圆(AC2W)工艺流程。

AC2W键合技术
采用先进的芯片-晶圆键合技术可以把单个元件(电芯片、异形元件等)安装到衬底上。这种工艺最初专门开发应用于把电芯片安装到半导体晶圆上，必须使用压力保证良好的连接和键合。从图2a中可以看到，AC2W键合工艺的主要理念就是把倒装芯片工艺分为两个步骤：对准和{yj}键合。使用AC2W键合工艺可使整体产能得到提高。

芯片在晶圆上的对准与预键合：AC2W工艺的{dy}步就是把芯片对准并预键合到衬底上。这一过程可以在标准倒装芯片键合机上完成(图2b)。芯片对准之后的临时预键合是为了把芯片-衬底堆叠从倒装芯片键合机转移到芯片-晶圆键合机上，这样就可以把所有芯片一次性{yj}键合到晶圆上。事实上芯片对准之后有四种不同的预键合方法：助焊剂浸沾法、高温蒸发粘接法、非流动下填充法以及超声预键合法。助焊剂浸沾法就是把芯片放入助焊剂槽中，使焊接凸点浸沾少量助焊剂。这一工艺与标准C4工艺十分相似。高温蒸发粘接法可以使用不同类型的材料，如二苯乙烷(bibencyl)或聚二乙醇(polyethylenglycol)，这些材料可以作为低温粘接剂，在键合温度下蒸发且不会留有残余物。非流动下填充法常用于芯片粘接工艺，也可以用于临时粘接。与蒸发粘接法相比，这种方法可以增强机械稳定性。如果没有使用任何有机物，芯片还可以通过超声预键合法临时安装在衬底上，事实上使用超声技术可使金属焊点本身具有低粘接性。这些预键合工艺中最耗时的要数助焊剂浸沾技术，由此可见，倒装芯片键合机可以高效快速完成芯片-晶圆的预键合。

形成{yj}键合：为了形成{yj}键合，要把所有组装晶圆从倒装芯片键合机传送到芯片-晶圆键合机上(图2c)。此后便可以在单次工艺循环中对所有芯片同时进行最终的{yj}性键合。各键合工艺参数可能发生变化，如芯片上施加的压力、压力中心、温度、真空、工艺气体等(图3a)。这一技术所具备的某些特征，如使用了应力缓冲层以及压力中心出现偏移等，使其能够在同一衬底上同时完成多个芯片的键合。由于芯片取自不同的晶圆，其厚度会有几微米的差异。为了保证每个键合芯片所受压力相同，键合机使用了一个集成应力缓冲层，用来补偿厚度的变化。应力缓冲层使用柔性材料，可以耐550℃的高温。在芯片预键合到晶圆之前对其进行测试，可以确保使用的是“已知合格芯片(KGD)”，这样通常使芯片组的重力中心偏离晶圆的中心部位(图3b)。当对芯片施加压力时，压力中心将转移到芯片的重力中心，从而保证对准并实现保角键合。

只使用倒装芯片键合机与使用AC2W键合工艺的产能对比
在上述焊点直径小于50μm的互连技术中，把芯片键合到衬底时需要使用压力，这有多方面的原因。互连工艺可以只使用倒装芯片键合机完成，也可以使用AC2W工艺。在只使用倒装芯片键合机时，各工艺步骤要按顺序完成，即从芯片源取芯片、对准，然后立即进行{yj}键合。在AC2W工艺中，对准和键合工艺可以采用不同的工具同时完成。举例来说，在Cu-SnAg-Cu键合工艺中，假定每个晶圆上安装1000个芯片，{yj}键合温度为250℃，对准精度为7μm (3σ)。实际的单道工艺所需时间为：单个芯片与衬底的对准为0.5秒，{yj}键合为20秒，这组数值代表了{zx1}的实际获得数据。但是这些值会随工艺参数的要求发生变化。{yj}键合时间一般为对准时间的40倍，这一过程为温度升高到键合温度以及金属形成IMC提供了必要条件。扩散工艺的时间一般保持恒定。这样，倒装芯片键合机的整体工艺产能将达到0.175晶圆/每小时(=3600秒/((20秒+0.5秒)*1000))。

采用AC2W工艺，所有1000个芯片在倒装芯片键合机上完成对准和预键合所需时间为500秒(=0.5s*1000)，在EVG540C2W芯片-晶圆键合机上完成{yj}键合需要20分钟 (=1200秒)，当然在整个{yj}键合过程中，随着工艺和工具的不同，这些值可能会发生变化(如图3a所示)。由于使用了两种工具，两个工艺步骤可以同时进行，也就是说{yj}键合时，倒装芯片键合机可以进行下一个晶圆的芯片预键合工作。由此我们看到，整体产能取决于{yj}键合工艺，达到3个晶圆/每小时(= 3600秒/1200秒)，这表明AC2W工艺可以使产能大大提高。

结论
随着C4焊点的不断缩小，焊点或层厚度的变化可能引起焊点开裂，再加上芯片的翘曲，使组件的良率下降。通过在组装回流焊过程中使用压力可以避免这种现象的发生。此外，C4焊点的进一步缩小使工艺转变为共熔焊互连，使用键合压力对形成良好的焊点十分必要。在只使用倒装芯片键合机进行组装回流的过程中，对键合点施加压力时，由于工具的热循环和材料扩散过程消耗时间较长，大大降低了产能。在AC2W键合工艺中，倒装芯片工艺分为对准和{yj}键合两个步骤进行，使这一工艺显示出明显的产能优势。