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在制造倒裝晶片凸起的過程中，引入絕緣層將倒裝IC表面的拓?fù)鋱D進(jìn)行表面平整處理后，合同制造商就可以采用統(tǒng)一的設(shè)計規(guī)則來加工表面拓?fù)涓鳟惖腎C。對(中國)封裝設(shè)計公司來說，了解該技術(shù)的起因和解決方案，有助于掌握該領(lǐng)域的最新技術(shù)動態(tài)。

 

30多年前，IBM公司首先將倒裝晶片互連結(jié)構(gòu)引入制造業(yè)。該公司不僅引入了三維(3D)互連結(jié)構(gòu)的概念，還率先提出了將裸片PCBA組裝成模組或PCBA組裝到底板上的所有技術(shù)和設(shè)計規(guī)則。從那時起，一些較大的制造公司也開始建立倒裝晶片生產(chǎn)線，他們或者直接從IBM獲得許可(如摩托羅拉、AMD等公司)，或者像Delco公司那樣對大公司的PCBA組裝制程加以改進(jìn)。對大公司而言，可以完全控制著整個晶片加工到成品出廠的全過程，因此，完全有可能將制程規(guī)則與布線軟件相結(jié)合，并采取靈巧的設(shè)計流程。但是，現(xiàn)在情況不同，合同制造業(yè)受到倒裝晶片加工制程的限制，面臨一些過去沒有遇到的問題。

 

IC制造商所采用的制造制程和設(shè)計規(guī)則千差萬別，使得制造倒裝晶片凸起的合同制造商很難選擇何種自動布線軟件進(jìn)行倒裝晶片的I/O布局和金屬互連。為此，有必要引入一個絕緣層，將倒裝IC表面的拓?fù)鋱D進(jìn)行平面化處理，這樣，合同制造商就可以采用統(tǒng)一的設(shè)計規(guī)則來處理表面拓?fù)涓鳟惖腎C。

 

合同制造鏈

制造業(yè)早已改變了以往大型、縱向整合結(jié)構(gòu)的模式，如今，對全球設(shè)計和代加工倒裝晶片的制造商來說，制造過程基本可以分解為三個階段(如圖1)。第一、設(shè)計和生產(chǎn)晶片，多數(shù)情況下，設(shè)計和生產(chǎn)可能分開進(jìn)行；第二、設(shè)計和制作倒裝晶片互連結(jié)構(gòu)；第三、設(shè)計襯底或底板，并將晶片黏著到電路板上。合同制造商處于制造鏈的第二階段。
 

圖1：制造過程基本可以分為三個階段。
 

第一、設(shè)計和生產(chǎn)晶片，多數(shù)情況下，設(shè)計和生產(chǎn)還可能是分開的；第二、設(shè)計和制造倒裝晶片互連結(jié)構(gòu)；第三、設(shè)計襯底或底板，并將晶片黏著到產(chǎn)品之中。

對于能夠控制整個制程的制造商，他們就可將其晶片設(shè)計無縫地整合到倒裝晶片互連封裝中?？墒牵贤圃焐虩o法控制晶片設(shè)計和制造的整個制程，因而需要增加額外的布線層，以便將晶片的不平整布線結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為平面陣列互連結(jié)構(gòu)，這個額外的布線層通常稱為金屬或I/O二次布線層，或者就稱為二次布線層。

 

一般來說，二次布線層是由鋁或銅線構(gòu)成的薄膜布線層，其中布線既可用做信號線，也可用做電源線和地線。在這些布線中出現(xiàn)的附加層可能需要黏合，或者要增加電流傳輸線的電子漂移阻抗。目前，這種薄膜布線層一般要在后端加工中制造，因此，根據(jù)特定的設(shè)計要求，其厚度通常在1到3μm之間，而寬度通常在12到100μm之間。

 

不論是否對倒裝晶片的I/O進(jìn)行二次布線，都要在I/O邦定焊盤上形成焊接互連結(jié)構(gòu)。在焊接互連結(jié)構(gòu)加工、PCBA組裝和返工過程中，會出現(xiàn)金屬化合層。最可靠的凸起底部金屬鍍覆(UBM)結(jié)構(gòu)要采用盡可能薄的支撐架構(gòu)。在加工和PCBA組裝過程中，基于共相金屬的一種高鉛焊點(diǎn)能夠制約易碎的金屬化合層的生成。圖2所示為一種薄膜UBM焊接互連結(jié)構(gòu)。有關(guān)金屬化合層厚度與熱循環(huán)周期關(guān)系的研究有專著可供參考。
 

圖2：一種薄膜UBM焊接互連結(jié)構(gòu)

 

合同制造商所面臨的問題

合同晶圓供應(yīng)商所面臨的問題來自兩個方面，一方面無法控制制程流程，另一方面缺乏對晶片拓?fù)鋱D的了解。許多的制造商要求晶圓廠提供倒裝晶片凸起加工(bumping)服務(wù)，同時，他們?yōu)榱丝刂瞥杀净虮Ｗo(hù)其制造鏈的安全，通常還會選擇其他代工廠來制造功能完全相同的晶片。但是，各代工廠的制程流程不同，因而制造出來的倒裝晶片物理結(jié)構(gòu)存在差異，因而給合同制造業(yè)帶來了諸多不便。

 

在典型的合同制造過程中，晶片廠將頂層金屬層和鈍化層提供給合同加工服務(wù)商(contract bumping house)，但為了保護(hù)IP，通常不會提供更多的布線層資訊。因?yàn)榫攲油負(fù)鋱D存在不一致平整的表面，因而不方便自動布線工具根據(jù)電子模型或熱模型來放置I/O和布線。圖3所示為加工過程中可能遇到的典型拓?fù)鋱D。與圖2的橫截面相比，可以看出UBM和金屬層厚度相差不多。由IC金屬布線和保形無機(jī)鈍化層構(gòu)成的不平整拓?fù)鋱D產(chǎn)生了階梯覆蓋(step coverage)問題。
 

圖3：在處理過程中可能會遇到的一個典型拓?fù)鋵?shí)例
 

階梯覆蓋問題存在的原因在于，焊接互連結(jié)構(gòu)的二次布線和UBM。如果能掌握完整的拓?fù)鋱D，便可以利用自動布線系統(tǒng)來解決問題。但是，如上所述，這很難做到，因?yàn)楹贤庸し?wù)商必須面對大量的代工和設(shè)計公司。要想采用自動布線技術(shù)，就必須采用一種不需掌握完整拓?fù)鋱D的布線方法。

 

表面平整制程

采用表面平整(planarizing surface)制程,可提供平整一致的表面來實(shí)現(xiàn)焊接互連結(jié)構(gòu)和二次金屬布線。在實(shí)際應(yīng)用中，要采用一種有機(jī)鈍化層，如Dow 化工公司提供的BCB材料。圖4所示為表面平整的實(shí)例。
 

圖4：表面平整的實(shí)例
 

藉由這種特殊方法，可產(chǎn)生一個約5μm厚的平面層，從而將厚度相近的幾何平面進(jìn)行平面化處理。當(dāng)厚度在3到7μm之間調(diào)整時，材料的化學(xué)特性不會變化。

 

該材料還具備多層覆蓋的性能，對高頻應(yīng)用尤為重要。保持二次布線層及其下部金屬層之間的一致和較大的間隔也很重要。藉由表面平整層，起因于金屬層和焊接互連結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋱D問題就迎刃而解了。

 

本文結(jié)論

目前，倒裝晶片互連設(shè)計面臨的主要困難有兩方面：1. 滿足裸片及襯底需要的所有電氣參數(shù)要求的金屬互連制程；2. 滿足所有PCBA組裝和加工制程流程的三維幾何結(jié)構(gòu)。

 

提供合同凸起加工服務(wù)的供應(yīng)商正面對一系列似乎難以克服的問題，為了將自動布線工具與倒裝晶片凸起加工及二次布線過程結(jié)合起來，必須掌握加工的控制過程，但要從提供晶圓的合同制造商獲得更多的金屬層資訊幾乎沒有可能。晶圓凸起設(shè)計公司(wafer-bumping house)也許可以解決這個問題，正如人們曾利用封裝解決IC制造制程缺陷一樣。此外，事實(shí)上，除了掌握頂層精確設(shè)計尺寸之外，更多的資訊可能就很難拿到。

 

為了解決上述問題，要在制造過程中采用統(tǒng)一的平面絕緣層，如Dow化工公司制造的BCB材料。覆蓋有機(jī)鈍化絕緣層可能會提高成本，但的確需要一個藉由平整的表面來加工互連結(jié)構(gòu)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高度可靠的PCBA組裝。