先进的封装挑战随着芯片和封装尺寸的缩小而增长;不同的设备和技术获得了吸引力。
凸起是许多高级封装的关键组件，但在纳米级别，确保所有凸起具有一致的高度是一个越来越大的挑战。
没有共面性，表面可能不能正确地粘附。如果在包装中没有发现问题，可能会降低产量，或者可能会导致现场可靠性问题。识别这些问题需要各种流程步骤，包括各种类型的检查和计量。凸起越密集、越小，这些过程就越密集、越耗时。
“随着模具内的I/O间距不断减小，每个模具所需的凸点数量会增加。此外，凹凸尺寸正在继续减小，”道格斯科特说，副总裁晶圆服务公司．“在某些情况下，每个骰子可能会有超过5000个凸起。这就要求每个凸起都具有相同的大小和形状，以确保正确的下游组装。一个缺失的凸起或畸形的凸起将导致装配失败和产量损失。”
还有其他的挑战，特别是这些包装中包含的模具变得更加多样化。Amkor高级封装开发与集成副总裁Mike Kelly表示:“输送到新节点的总功率总体上仍在上升，这促使客户使用混合凹凸间距和凹凸直径。”“这需要更高端的电镀工具，通常需要更慢的电镀时间，并且有一个将成本影响最小化的驱动力。我们的客户最关心的是总电流，这主要是一个电迁移问题，但它也是一个更精细的电网电流输送到新的硅节点-特别是3nm，但也从5nm开始。这意味着在更细的凸点上有更多凸点，当凸点间距和凸点直径在整个模具中变化时，可能会有更多的电镀挑战。”
建设
凸点是简单的焊料球体，直径一般在75μm到200μm之间。它们可以通过电镀或直接放置形成。Scott说:“这两种工艺都得到了很好的理解，很好的优化，并在大批量生产中取得了成功。”“使用丝网印刷也可以产生焊点，但存在屈服/焊料空洞问题。凸模和基板/端PCB之间的适当设计可以显著减少故障点。”
凸点是在倒装芯片过程中植入到集成电路上的——技术上来说，这是受控塌缩芯片连接，或C4。一旦模具被制造在晶圆上，一个金属化的衬垫被放置在它的顶部，凸点被附着。然后，把筹码切成丁，翻转过来。
图1:碰撞过程中必须控制的参数包括高度、共面度、位置、大小和形状。来源:CyberOptics
理想情况下，凸起与其他组件上的连接器完美对齐。这就是问题经常发生的地方，要么是由于凸起本身的缺陷，要么是由于衬底翘曲导致凸起无法正确排列。
“芯片之间的互连依赖于焊料厚度小于10微米的微凸点，”该公司产品营销总监Marc Swinnen说有限元分析软件“半导体部。“microbump的焊料体积大约比传统的倒装芯片接头小两个数量级。这意味着即使是中间衬底的轻微弯曲或翘曲也会带来重大的可靠性风险。此外，这些微型凸起被称为集体携带数百瓦的电力。任何局部过热都可能导致这些微小结构的热失效。”
“你有各种各样的材料，不同的基材，所有它们都有不同的热膨胀系数，”Frank Chen说，该公司的应用和产品管理总监力量纳米表面与计量。“当你出现这些不匹配时，有些东西会比其他东西冷却得更快，你会得到很多扭曲和压力，你无法完全消除。现实是很难得到一个平坦的表面。”
在许多情况下，这种翘曲是如此之小，甚至需要特殊的设备来检测它。
Chen说:“真正挑战人们的是三种主要类型的凹凸缺陷——桥状、非湿状和空洞。”“但也有计量类型的问题，如模具放置错误，其中包括模具移位和旋转。与模具连接相关的另一个问题是压力。典型的过程是施加压力和热量来附着模具，但由于压力或热量分布不均匀，可能会有一些倾斜或翘曲。”
空隙，可以使焊料连接界面看起来像瑞士奶酪，是热和功率问题的来源。Palomar Technologies的应用工程师Anders Schmidt表示:“众所周知，空洞是非常糟糕的导热体，会干扰热量从组件中传递出去。“由于该组件不能很好地散热，其载流能力下降，导致电力利用效率低下。”
图2:瑞士奶酪一样的空隙可以造成很多问题,包括可怜的热导电率．资料来源:Palomar Technologies
在最坏的情况下，孔洞会导致模具开裂。根据Palomar的说法，解决方案是使用共晶键合，其中熔点低于每种单独材料的熔点。这可以使用中间金属层来实现。施密特说:“在键合过程中具有非常低的熔点，但在设备运行期间没有熔点，这是共晶键合的关键属性之一。”
因为焊锡凸点是金属的，它们也有助于散热。可靠的焊锡连接将与封装一起工作，以消除内部产生的热量，在工作温度下保持长期功能，并承受环境条件或电源循环造成的冲击。”
不断发展的材料
1964年，IBM首次推出了凹凸设计，随着组件的缩小，凹凸设计变得流行起来，因为它可以在与线键合相同的空间内实现更多的I/O连接，同时还降低了热阻和电感。
最初，凸起是由锡铅合金制成的。为了与当前的环境问题保持一致，它们现在通常是由锡-银-铜(SnAgCu或SAC)合金制成的。考虑到单个组件上可能有数千个凸起，这种转换对环境审计具有重要意义，因为材料审计可以精确到原子级别。
“如果你有一个含有不同材料的产品，每个材料都可能有一个铅原子，当你把这些材料加在一起时，在某个时候，铅就变得可测量和重要了，”该公司电子和半导体战略副总裁艾伦·波特说西门子数字工业软件。
目前，有许多来自不同供应商的凸块和衬底配置，所有这些都是为了优化电气连接以获得更好的性能。底填充材料的进步，倒装芯片中的电绝缘粘合剂层(不要与“底填充”[3]混淆)也在提高效率。
在众多的选择中，有纯铜的“微凸点”，直径在20μm到25μm之间，与较大的凸点相比，它具有与电线连接相同的优势。从十多年前开始，随着间距越来越紧凑，许多制造商开始使用“C2凸点”，这是一种顶部有锡-银(SnAg)触点的支柱微凸点结构。
这些SnAg技巧提供了可靠性优势。但成分上的细微差异会影响凸起的行为。根据费舍尔的仪器，“银含量超过3%的焊锡凸点在热疲劳测试中表现更好，更耐剪切塑性变形，而银含量较低的合金(约1%)表现出优异的延展性，因此在严重应变条件下具有更好的疲劳耐久性。”
这里的基本制造挑战之一是保持材料成分的适当平衡。这为多年来一直被搁置一旁的x射线检查创造了一个重要的机会。x射线可用于确定材料成分，如互连中的合金百分比或凹凸中的污染物。此外，它还可以帮助识别结构缺陷。
x射线检查的缺点是速度快，通常它是光学检查的补充。但随着兴趣的增长，这项技术的速度有了显著的提高。
Chen解释说:“一个有空洞的凸起不会吸收像一个实心球体那样多的x射线辐射。”“所以我们正在研究差异，并将已知的好的和已知的坏的案例进行比较，以确定缺陷。高速x射线检测的另一个关键应用是直接向工艺工具提供模移和倾斜反馈。”
过程步骤
目前对更小的处理器、更小占地面积的更多I/O和更小的包的需求也促使osat重新考虑进程的顺序。微软计算机视觉工程经理约翰•霍夫曼(John Hoffman)表示:“包装等曾经严格的后端流程，现在正更多地转移到前端。CyberOptics．“业界倾向于将这些过程称为中间工序，特别是当晶圆厂或包装厂执行这些步骤时。
由于最终产品的可靠性取决于凸起的精确对齐，检查必须提前进行，这迫使进一步调整。Chen说:“向上游移动测量可以加速开发迭代周期。“因此，在模具安装过程后立即进行检查具有显著的优势。”
其他人也同意。“如今，在后端/包装检查中，我们还没有建立起检查和装配过程之间的良好相关性，”in公司的产品营销经理Olivier Dupont说心理契约的ico部门在最近的一次采访中说道。“这是一个需要建设的未来发展领域。正如许多人观察到的那样，先进包装的增长仍在继续。它必须投资于这种发展。”
扩展
随着芯片和封装尺寸的不断缩小，凹凸技术正在被混合键合技术所取代。
目前，生产中的最小螺距和直径约为20µm螺距和10µm直径。该公司应用工程经理Woo Young Han表示:“一些客户在20微米间距、10微米直径后尝试使用混合键合，其中一些客户在5微米直径、10微米间距后尝试使用混合键合。上的创新．“这就是我们今天的局限性。任何比这更小的东西都将是铜与铜表面的直接结合。”
一个值得关注的领域是晶圆边缘。Han说:“几纳米的表面滚落就会破坏晶圆到晶圆的混合键合。”“我们的许多客户都想对晶圆边缘的不完整模具进行检查。虽然它不会被使用，但部分模具上的任何缺陷都可能破坏整个过程。因此，许多检测公司都在寻找深度学习或基于人工智能的方法来检测部分模具。”
虽然这些问题通常是最重要的，但在微柱凸起的制造过程中，还有另一个不太为人所知的问题，据Jean Trewhella说GlobalFoundries．“制造微柱并不是最大的挑战，”她说。“相反，当你试图测试它们或将它们连接到其他东西时，不会得到任何额外的异物。这不是我们进行碰撞的那种洁净室。”
此外，测试本身有时也会造成损害。Amkor公司的Harris说:“我们必须亲身接触那个球，所以我们必须确保我们使用的Pogo pin技术不会太具有破坏性。”“此外，我们必须确保我们的环境是干净的。如果你的球和电源之间的连接是脏的，你通常会想要在测试时增加电压或电流以达到某个水平。这条路上有阻力。如果是碳类材料，它可能会烧毁并损坏插座，损坏设备。”
结论
Amkor公司的斯科特对这些问题能够解决持乐观态度。“随着凹凸度的降低，需要新的光刻胶材料和曝光设备，”他说。“我们需要继续投资于更好的设备和材料，以及增加统计过程控制和计量。此外，了解终端应用需求也非常重要，以确保设计能够满足使用寿命的要求。”
他并不是唯一持这种乐观态度的人。GlobalFoundries晶圆厂后测试开发中心研究员John Carulli表示:“考虑到柱的数量和其他因素，当你把所有这些概率放在一起时，ppm就不再罕见了。”“这些都是我在与供应链上的各个同行进行基准测试和交谈时遇到的问题。目前没有太多的解决方案。但许多聪明人正在做大量的工作，试图找出答案。”
解决这些问题有潜在的巨大利益和机会。Promex Industries工程副总裁Chip Greely表示:“更高的产量意味着更低的成本，更稳定的设备在同一时间内完成相同的工作，因此成本应该会下降。．
参考文献
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