芯片的3D封装技术ppt课件.ppt

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1、芯片的3D封装技术,F. RenDepartment of Chemical EngineeringUniversity of FloridaGainesville, FL 32611renche.ufl.edu,摘 要,动因 倒装焊 UV激光钻孔 ICP导通孔刻蚀 结论,AlGaN/GaN HEMTs and MMICs 功率放大器方面的发展 实现晶片导通孔以使低电感接地成为可能,动 因,倒 装 焊,倒装焊是一种不使用焊线和引线的集成电路互联和封装的方法倒装的优点更高速的互联低功率消耗小针脚占用少的面板面积轻重量封装实现倒装的要求需要隆起焊盘支起凹处的I/O盘以实现电互联及模具与衬底的连接,

2、倒 装 焊,Sn-Pb共晶焊焊盘形成过程,PbSn焊料块的SEM图,电镀后的PbSn焊料块(UBM:Ti:W/Cu) 回流焊后的PbSn焊料块(间距：50um,直径25um) 典型回流焊温度：250,M-9A倒装焊机,焊接精确度： 0.5 um低压力（至9kg）温度：至 400空气轴承组件精确平面度控制上下操作台的N2净化闭路温度力反馈动力化的平板光学系统隙缝光学系统明场暗场照明,M-9A倒装焊机简介,上样品台： 基座和芯片,下样品台：焊料块,上样品台,下样品台,上升器,Z向移动限制,X向移动限制,下操作台概览,对齐-视频信号,样品对齐前,样品经操作杆对齐后,In-Au 焊接程序,时间,时间,

3、目前过程,改进过程,1、程序开始：30sec2、样品接触并加热：1min30sec2、样品加压：200g至400g3、样品焊接：15min4、冷却：7min30sec5、充气,混合MEMS可调谐滤波器倒装焊图示,焊料块的喷墨沉积系统,Ag/Sn 焊料块：96.5%Sn/3.5%Ag,金属线喷墨沉积系统,互联的喷墨沉积系统,铜导电体,打印焊料快,沉覆介电层,打印焊料互联,沉覆介电层,器件制造喷墨系统,PbSn合金性质,Pb提高抗腐蚀性降低回流焊温度37:63Pb:Sn：183，纯Sn:232降低表面张力： 470 dyne/cm 37:63:Pb:Sn, 183 550 dyne/cm: 纯Sn

4、,232缺点：毒性,PbSn合金性质,无Pb焊料块发展,纯Sn：熔点232共晶Sn:Cu(0.8%)：熔点227共晶Sn:Ag(3.5%)：熔点221Sn:Ag(3.5%):Cu(0.7%)：熔点218,AgSn合金性质,AgSn合金性质,控制Ag组分避免熔点剧烈升高 3.5% Ag = 221 C 10% Ag = 300 C,CuSn合金性质,CuSn合金性质,控制Cu组分避免熔点剧烈升高 0.7% Ag = 227 C 5% Ag = 375 C,焊料分解速率,250 215金 167 67铜5.33.2钯2.80.7镍0.2 0.2（微英寸/秒）,激光钻孔,导通孔制备的一种方法极高的刻

5、蚀速率：10s左右选择合适的激光，装置，优化功率，可产生较小的碎片， 并无干法刻蚀中的掩膜沟道或微掩膜效应激光提供可观的材料适用弹性，并不需要附加的过程,背面过程中的激光通孔,激光钻孔的机制,UV激光钻孔装置,大面积加工,UV激光钻孔的光束轮廓,未整形的准分子激光光束是高斯及平台顶分布，不适合均匀的曝光,单一装置的多重钻孔,UV激光钻孔实例,UV激光钻孔实例,UV激光钻孔实例,末端斜坡,UV激光钻孔实例,锁口喷嘴30um出口,集成了液体储存器及通道的喷嘴,UV激光钻孔实例,圆柱形物件的钻孔,UV激光钻孔实例,直径：75+/-2 um零倾斜孔0.5mm衬底,准分子激光成型vs基于光刻的成型技术,

6、(a) 激光烧蚀技术,(b) 基于光刻的技术,UV激光钻孔实例,UV激光钻孔实例,高产率和快划线速率产生的极窄结果,动 因,激光钻孔速度快，但串行，产生小颗粒，且对正面金属无选择性ICP刻蚀更适合大面积晶片及大导通孔密度的器件,目 标,ICP刻蚀SiC通孔的发展刻蚀速率应超过250nm/min刻蚀轮廓应各向同性高的掩膜选择比微掩膜效应最小化Au被刻穿前刻蚀须停止,以前的工作,SiC晶片总厚度: 275umICP 刻蚀条件：SF6：50sccmO2：10sccm压强：7mTorrICP功率：750-950mWRf功率：100-250mW温度：25速率：0.65um/min,严重的微掩膜,沟道效应

7、,7mTorr下，沟道效应明显Au被刻穿的危险增大起因：高离子流导致孔底部的离子堆积将压强增至12mTorr可消除沟道效应ICP功率和离子能量没有作用速率同时降至250nm/min,提高刻蚀速率,使用SF6/O2 刻蚀速率很慢12mTorr下，250nm/min刻蚀深度及暴露面积增大，孔直径减小时，刻蚀速率下降目标：确定速度限制阶点提高刻蚀速率，但不破坏刻蚀轮廓，避免沟道及微掩膜效应,提高刻蚀速率：等离子体化学组分,加入阳性气体提高正离子流量,He,Ar 都可以提高速率与He相比，Ar原子更重，具有较低的电子碰撞电离阈值能够到效应仍然存在，但可以忽略50sccm的流量最优,微掩膜效应,严重问题

8、导致大块导通孔刻蚀失败形成柱状物高密度的柱状物导致刻蚀失败,微掩膜效应：起源,不挥发性刻蚀产物的再沉积坚硬的刻蚀掩膜托盘刻蚀腔体：铝夹具,SiC中的缺陷传递研磨过程产生的颗粒和缺陷,微掩膜效应：He和Ar,添加He和Ar显著降低微掩膜数量三幅图取自同一晶片,微掩膜效应：预处理,进一步提高：柱状物高度一致且数量不随刻蚀深度增加而增加表明其是由于近表面缺陷或污染引起刻蚀前引入物理溅射处理,盘状蓝宝石,研磨前SiC晶片安装在盘状蓝宝石上由于工艺过程的困难，晶片减薄至100um，以期望整个背面工艺过程中晶片保留在盘状蓝宝石上前面的工作表明，不同的刻蚀托盘中，Al会产生不可接受的微掩膜效应,盘状蓝宝石,

9、SF6/O2导致通孔彻底失败,SF6/O2/Ar得到了意想不到的效果！,盘状蓝宝石,另外，刻蚀速率有很大提高可能由于热导降低，导致表面在刻蚀时温度较高各种气分下，速率提高35%,Au穿透,刻蚀过程中可能发生Au穿透，导致刻蚀失败研磨过程中引入的倾斜可能足够大以致于在其他通孔中SiC清除前，有些位置的GaN和Au已经刻穿,Au穿透：Ni刻蚀停止层,低RF功率提高选择比，但降低SIC刻蚀速率等离子体不稳定引入Ni刻蚀停止层与当前工艺兼容选择比：50：1150nm可以允许9umSiC 10%的过刻蚀,已刻蚀的通孔：停止于GaN,5min Ar预处理SF6/O2/Ar: 50/10/50 750/15

10、0W/12mTorr刻蚀时间：360450minSiC刻蚀速率：0.220.30um/minSiC:GaN 选择比可以接受光学上确定结束点：GaN具有彩虹状干涉图样初始通孔成品率：对于1/4的2英寸晶片，约3040%工艺提高后，通孔成品率：对于完整2英寸晶片，95%,已刻蚀的通孔：停止于Au,SiC刻蚀：750W/100W/12mTorrGaN刻蚀：350W/25W/3mTorr Cl2/BCl3GaN刻蚀速率：190nm/min对Ni或Au选择比：5:1停止点由无GaN残留时从光学上确定,刻蚀进阶,Ni刻蚀停止层的去除,湿法腐蚀：H2SO4 /H2O2 /H2O (3:1:4),成品率数据,采用优化条件，通过16轮实验测定成品率750W/100W, 5 min Ar 预处理750W/100W SF6 /O2 /Ar 50:10:50 sccm 刻蚀成品率 约100%最初5片完整2英寸光学估测成品率90%,结 论,刻蚀速率提高到500nm/min, 同时沟道效应可以控制通过Ar的预处理及刻蚀中引入Ar，可以控制微掩膜效应研磨倾斜及非均一刻蚀已通过Ni刻蚀停止层解决在可接受的刻蚀速率下得到95%的薄SiC晶片刻蚀成品率,