一种新型FC和WLP的柔性凸点技术

摘 要：FC(倒装片)和WLP(圆片级封装)均要在圆片上制作各类凸点，它们与基板焊接互连后，由于各材料间的热失配可能造成凸点——基板间互连失效，从而影响了器件的可靠性和使用寿命。解决这一问题的通常做法是对芯片凸点与基板间进行下填充。本文介绍的柔性凸点技术是在焊球下面增加一层具有弹性的柔性材料，当器件工作产生热失配时,由于柔性材料的自由伸缩，将大大减小以至消除各材料间的失配应力，使芯片凸点与基板下即使不加下填充，也能达到器件稳定、长期、可靠地工作的目的。

关键词：FC；FCB；WLP； 柔性凸点

中图分类号：TN305．94 文献标识码

1 引言

尽管各种电子产品中使用的封装形式多种多样，如DIP、PGA、SOP、QFP、BGA、CSP、FC、MCM和3D等，但作为芯片与外电路连接的方式，也仅有三种，即：丝焊(WB)、载带自动焊(TAB)和倒装焊(FCB)技术。

WB的历史最悠久，应用最广泛，技术也最成熟，至今仍是各种封装互连的主流；TAB应用与WB相比则较为有限，主要在薄膜晶体管显示器(TFT文章编号LCD)电子产品中使用，其次也在计算机、汽车电子、打印头、电子手表及医疗电子上应用；FCB将成为未来封装互连的主流，近几年的发展尤其令人瞩目，在各类封装领域中FCB取代WB成为封装互连主流已是大势所趋。根据调查机构TechSearch所做的调查，全球采用FCB技术的FC 2001年仅为10亿片，2003年增至20亿片，2005年将突破35亿片。届时，FCB可望超过WB封装互连而成为市场主流。

BGA、CSP和FC都是FCB的封装互连形式，BGA、CSP可视为包含了丰富内容、“放大”了的FC；而WLP则是在各种CSP中最具发展前景的，这种WLP与FC相比较，除面阵焊球引脚节距比FC的凸点节距更大些，因而更适合当前SMT的应用之外，在制作方法上二者几乎无差别。只有在应用时，往往FC与基板间要增加下填充工艺，以补偿由于机械震动冲击、特别是由于电源或温度的周期变化所引起的焊点与基板间热失配应力。对于WLP，由于下填充工艺与安装WLP的SMT工艺不兼容，在满足一定可靠性要求的情况下，可以不添加下填充工艺。

在今后大量使用FC和WLP时，能否既不增加下填充工艺，又能与SMT工艺兼容，并共同提高FC和WLP的可靠性呢?这就是本文要回答的问题——一种新型FC和WLP焊接可靠性的柔性凸点技术。

2 FCB技术概览

2．1 FCB技术的起源

FCB技术源自20世纪60年代初美国IBM公司研制开发出的在芯片—卜制作凸点的FCB技术，1964年首先制成混合集成电路(HIC)组件并用于电子计算机上。这种技术最先使用电镀Ni-Au的Cu球，再用Pb-Sn焊料包裹，但Cu球不能太小，否则凸点难以向更小方向发展。由此，IBM公司又研制开发了不用Cu球，完全用Pb-Sn形成凸点的方法，即可控塌陷芯片连接，如图1所示。

C4技术的开发成功，使IC芯片的FCB实现了多点一次性焊接互连(WB为逐点焊接互连)；Pb-Sn易于熔化再流，并可弥补因凸点高度不一致或基板不平而引起的高度差。FCB时由于Pb-Sn处于熔化状态，所加的焊接压力小，从而不易损伤芯片和焊点；特别是Pb-Sn熔化时具有较大的表面张力，使焊接具有“自对准”效果，即使FCB时芯片与基板焊区对位偏移，也会在Pb-Sn再流时回到对中位置。

2．2 FCB的优越性

20世纪80年代以来，随着IC向LSI、VLSI的发展，其I／O数不断增加，使满足各类电子整机和系统要求的电子封装产品不断提升并具有高性能、多功能、高频高速、小型化、薄型化、轻型化、便携化、智能化及低成本等特点，这些封装形式从插装型的DIP，到SMD型的SOP、QFP，再到先进封装BGA、CSP、FC等。QFP之前的I／O引脚为周边型排列，只能达到数百个引脚；而BGA以后的I／O引脚则为面阵型排列，引脚即是焊球，可从数百直至数千个。特别是CSP的出现，使一直困扰着封装界并往往成为封装“瓶颈”的“芯片小而封装大”的矛盾终于得到解
决，而今日WLP更成为各类CSP的发展主流，这就很自然地进入更高一级的FC和FCB封装互连阶段。

在当今飞速发展的信息化时代，WLP和FCB技术之所以受到人们的青睐，是由于与其他封装及WB、TAB封装互连相比，这两种技术有其显著的优越性：

①能减小信号引脚电感，提高信号传输能力；
②可减小电源引脚电感；
③能提高信号抗干扰能力，减小信号的失真度；
④能获得卓越的热、电性能及可靠性；
⑤能减小电子封装部件的尺寸；
⑥I／O引脚可全面阵排列(包括有源区)，且随着引脚节距的缩小，I／O引脚大量增加，目前已超过2500个；
⑦由于C4焊球的自对准效果，对SMT安装再流工艺更加宽松，成品率及可靠性会更高。

FC的成本问题仍是当前使用中的关键因素之一，但人们相信，这种无封装的“封装”(裸芯片)产品成本，最终应是最低的，这取决于制作FC的工艺成熟程度及产品的量产情况。

2．3 FC和WLP面临的可靠性问题

FC和WLP在具有如上所述优越性的同时，当安装到基板上，特别是PCB上时，由于当前各类凸点制作工艺的某些缺陷，使面阵焊点的柔性较差，易受焊接疲劳失效的影响。这是各种材料的CTE(热膨胀系数)不同所致。例如Si的CTE约为3．3×10-6℃-1，而FR-4PCB其CTE约为15×10-6℃-1—-18×10-6℃-1，这样在热循环过程中，就会给芯片上的焊点造成较大的机械应力，若不采取相应措施，就会产生焊接疲劳和器件失效。尤其是对于大尺寸的芯片，远离芯片中心的凸点焊球(特别是芯片四角处)所受的热应力更大，往往容易失效。为了解决这一问题，通常采用芯片与基板问下填充环氧树脂的办法，但这又与SMT千艺不兼容。因为当FC和WLP与PCB上的其他元器件一同安装并再流后，必须“下线”进行下填充，并使材料固化后才能继续完成后续工艺，哪怕只安装一个FC，也要增添同样的工艺过程。这无疑增加了’厂艺制作成本并延长了制作周期。如何既不增加下填充工艺，又能使器件受到的热失配应力得以缓解或消除，从而提高可靠性，就成为FC和WLP面临的实际问题。

3 解决FC和WLP焊接可靠性的柔性凸点技术

近几年，国际上为解决FC和WLP焊接可靠性问题做了大量的研究开发；厂作，其中最具代表性和实用性的当属美国GE公司研发的柔性凸点技术，图2所示为这种柔性凸点结构。

3．1 柔性凸点技术

为了展示柔性凸点的优越性的WLP凸点进行比较。

3．1．1 典型的WLP凸点技术

典型的WLP工艺流程如图3所示。

3．1．2 新型的FC和WLP柔性凸点技术

与上述典型的FC和WLP凸点技术相比，柔性凸点技术的关键是在新焊区下面增加了一层具有弹性的柔性材料，光刻后形成两边具有斜坡的柔性凸点，其余的工艺两者均基本相同。其工艺流程如图4所示。

需要指出的是，这里的工艺流程是从重布线后的圆片开始的。如果原先已钝化圆片的焊区为周边引出时，要变成面阵排列的I／O焊区，则须进行重布线工艺。

另外，这里几层材料是使用涂覆、光刻膜的制作方法，而从成本考虑，也可使用模板印制方法；制作UBM(凸点下金属)既可以采用溅射、光刻法完成，也可以用化学镀方法完成，而后者成本更低。

3．2 柔性凸点受力后的适应性

FC／WLP的面阵排列I／O引脚的焊接疲劳是由各材料间的CTE差别较大引起的，加之使用中温度变化范围宽，其焊点结构又缺乏缓解应力的柔性，若不采取相应措施(如增加下填充)，器件就可能由焊接疲劳走向疲劳失效之路。

这里制作的柔性凸点处于焊球的下面，柔性凸点具有一定的弹性，当受到来自各方向的应力时(主要是由热失配引起的平面剪应力)，柔性凸点就能产生相应的一定形变，从而可缓解以至达到消除应力的目的。图5给出了柔性凸点在各种受力情况下的形变适应性。

4 结束语

本文论述了FC和FCB的优越性及其将成为封装互连主流后面临的问题和挑战。当前FC／WLP的面阵焊点结构缺乏缓解各材料间因CTE差别较大而引起失配应力的能力，而柔性凸点技术则可望能较好地解决失配应力问题，从而使FC／WLP即使不加下填充，也能达到器件稳定、长期可靠地工作的目的。