倒装焊封装工艺缺陷及检测方法研究

1、引言 

 芯片安装互联技术是集成电路的关键封装技术， 主要有引线键合、载带自动键合和倒装焊封装三种。 倒装焊工艺是将芯片焊接面朝下，通过焊料或导电胶与基板 ( 底座、载体或电路板 ) 实现互连的一种工 艺技术。倒装焊封装工艺关键技术难点包括凸点制备工艺过程中的成品率控制和影响芯片倒装工艺质量的凸点共面性检测方法、芯片倒装工艺过程的对准问 题和倒装焊焊点质量检验方法以及底部填充空洞检测、倒装焊封装工艺可靠性评价方法等方面 。倒装焊封装工艺典型工艺失效模式包括凸点共面性偏高、凸点强度偏低、倒装焊焊点虚焊、桥连和底填充胶分层等，工艺过程中需要通过一定检测手段对上述缺陷进行检测，并通过封装工艺评价试验对工艺可靠性进行评估。

2 、凸点制备工艺缺陷及检测方法

2.1 凸点制备缺陷分析晶圆凸点制备技术是芯片倒装 (Flip Chip，FC) 封装中的关键工艺，主要工艺缺陷包括如下四类。 

(1) 焊点桥连 ：随着芯片凸点总数超过数千个， 凸点节距减小到 150 μm 以下，极易导致相邻焊点桥连等问题。

(2) 虚焊 ：回流阶段的焊点温度将上升到焊膏的熔点温度以上，使熔融的焊料润湿金属焊盘，足够的浸润时间可以保证熔融的液态焊料在金属焊盘上充分的润湿铺展，而浸润时间过短会导致焊料浸润不良从而造成焊点虚焊。 

(3) 焊点内部空洞 ：助焊剂在回流过程中发生分解、挥发并释放出气体，回流时间较短或外部气压不够低时，气体在熔融焊料中不能及时排出会在焊 料内部形成空洞。焊点空洞率是影响器件长期可靠性的关键因素，空洞的存在会导致焊点虚焊、焊接强度降低，严重影响器件的长期可靠性。

(4) 焊点共面性问题 ：倒装焊凸点制备完成后需要将芯片倒装到陶瓷基板上，这就要求倒装凸点具有良好的共面性。凸点共面性差，会导致凸点在倒装过程中无法与焊盘充分冶金反应，造成虚焊等焊接不良情况，严重影响倒装焊器件的可靠性。 

2.2、凸点缺陷检测

(1) 光学二维视觉检测光学二维视觉检测是利用具有高分辨率的摄像机来捕捉芯片及其燥点的图像，同时通过不断调整 光源参数，以获取用来比较和识别的检测图像。 凸点共面性的大小直接影响倒装焊的工艺质量。 共面性越小，回流后凸点状态一致性越好 ；共面性 过大则会导致倒装后焊点无法焊接、虚焊等问题， 因此必须对不同尺寸焊球回流后的共面性进行试验验证，如图 1 所示。

(2) X 射线检测 X 射线检测以不同材料对 X 射线的吸收程度不同为原理对被测试样进行检测，其工作原理如图 2 所示。利用 X 射线检测方法可以识别焊点内空洞、焊点桥连和焊点偏移等缺陷。 

(3) 机械检测凸点剪切力用于表征倒装焊凸点的抗剪切能力。 凸点剪切力应满足最小剪切力，进而保证芯片凸点倒装的可靠性。凸点剪切力与焊球成分以及焊盘尺寸有关，焊球尺寸应与一定规格尺寸的焊盘相匹配， 焊球尺寸一定的情况下，若焊盘尺寸过小，焊球无法充分铺展，造成焊球底部应力集中现象突出，降低凸点可靠性；若焊盘尺寸过大，则会造成焊球过分铺展，无法保证焊球形状，在焊盘中心距一定的情况下容易造成相邻焊球桥连。因此必须针对不同尺寸焊球进行焊盘匹配并进行最小剪切力试验验证。 

3、芯片倒装工艺缺陷及检测方法 

3.1 芯片倒装工艺缺陷分析芯片倒装工艺是将有源面焊盘上制备焊料凸点， 再将芯片倒扣在基板上实现互联。倒装焊工艺采用 面阵列排布焊点代替传统的四周引线键合互联焊点， 实现封装密度、焊点性能的极大提升。倒装焊封装工艺作为一项基础技术，由于起步较晚，材料新、结构新、工艺新等问题突出，基础研究严重缺乏， 技术基础较为薄弱，仍有一系列工艺问题未能得到有效解决，工艺不良缺陷时有发生，严重制约了国 产倒装焊核心集成电路的型号应用，现已成为阻碍高端核心集成电路的国产化和自主可控的关键一环。 工艺问题主要体现在以下 2 个方面。

(1) 倒装焊点虚焊在高可靠倒装焊封装工艺领域，通常采用高铅焊料进行互连焊接，但是高铅焊料的缺点较为明显 ： 工艺窗口窄、回流温度过高、润湿性差等，这些缺点使得焊料在回流过程中与焊盘之间易形成虚焊， 如图 3a 所示，虚焊焊点会导致电路时断时通，给倒装焊器件的应用带来严重的质量隐患。如图 3b 所示， 剪切后合格焊点。 

a 虚焊焊点

b 合格焊点

图 3  剪切后虚焊焊点与合格焊点形貌

(2) 倒装焊间隙过小清洗不干净的问题 随着倒装焊凸点尺寸的不断减小，凸点尺寸已降低至 80μm 以下，导致倒装之后芯片与基板之间 的间隙变得极小，最小仅为 40 μm，这就使得器件在清洗过程中清洗液无法充分渗入间隙之中，无法对残留的助焊剂进行清洗，残留的助焊剂极易造成焊点腐蚀、底部填充胶分层等失效模式，会大大降低倒装焊器件的长期可靠性。清洗不合格器件和清洗合格器件对比如图4所示。

a 清洗不合格器件

b 清洗合格器件

图 4  器件清洗效果对比

(3) 倒装焊焊点偏移、桥连的问题随着倒装焊凸点尺寸的不断减小，凸点间距也降低至 150 μm 以下，若工艺控制不当，易使相邻凸点在回流过程中发生桥连或偏移风险，造成电路相邻焊点断路 ；偏移会使焊点局部与焊盘接触，焊点强度无法得到保障，并且会对器件的电性能造成 一定的影响。

3.2 芯片倒装缺陷检测倒装焊器件结构复杂，涉及多种金属、非金属 材料之间的封装互联，倒装焊互联材料在真空、湿热、 温度交变、强震动冲击等复杂恶劣环境下易发生性能退化，造成焊点腐蚀开裂、填充胶真空释气分层 等缺陷，从而影响器件寿命及长期可靠性。随着倒装焊封装器件密度的不断提升，工艺特征尺寸急剧缩小，导致在工艺检测过程中一些检测技术手段无法充分显示器件的结构及缺陷，建议通过优化筛选方法及检测手段来定位工艺缺陷。

(1) CT 检测目前常用的非破坏性检测手段有 X 射线、超声扫描等。其中随着倒装焊点尺寸缩小至 80 μm 以下， 对 X 射线检测设备的分辨率提出了极高的要求，若无法达到指定要求，就无法对焊点内部可能存在的空洞进行充分识别，无法精度计算空洞的面积，此外， X 射线仅能针对焊点桥连、空洞等进行检测，对于虚焊、冷焊等关键失效模式并不能够有效识别。三维 CT 扫描技术采用 X 射线进行光学检测，可以对关键部件进行分层扫描，可有效检测封装内部焊点、互联通孔、焊盘等结构的微裂纹等缺陷。图 5 为焊点及通孔结构 CT 检测结果。

图 5  焊点及通孔结构 CT 检测结果

(2) 扫描电子显微镜和能谱分析扫描电子显微镜技术放大倍数更高、景深更 好，可观察样品表面微观结构和材料成分。扫描电 镜 (SEM) 用于观察样品表面微观组织结构，能谱仪 (EDX) 用于分析指定部位成分分析，两者结合可对指 定区域微观结构进行定性、定量分析，判断焊接质量和互联结构可靠性，如图 6 所示为焊点虚焊与裂纹。

a 焊点虚焊

b 焊点裂纹

图 6  倒装焊点扫描电子显微镜和能谱分析

4 底部填充工艺缺陷及检测方法 

4.1 底部填充工艺缺陷分析底部填充胶的作用是用于缓解芯片与基板之间由于热失配导致的分层、焊点开裂等问题，但是随着倒装焊器件的封装密度急剧提升，芯片与基板之间的 间隙也急剧缩小，这就使得底部填充过程中易出现空洞、分层等现象。空洞分层现象会使焊点失去底部填充材料的保护，在温度循环、机械冲击等热力学环境下易造成焊点疲劳开裂，进而造成电路失效。底部填充胶层空洞会导致局部凸点裸露在外，无法受到底部填充胶的有效保护，从而导致焊点较早失效，影响器件的长期可靠性。而底部填充胶层分层则会导致底部填充胶层与硅芯片或者陶瓷外壳分离，从而导致底部填充胶缓解热膨胀系数不匹配的能力完全丧失，焊点的可靠性降低，更容易发生失效。因而导致器件的长期可靠性降低。 

4.2 底部填充工艺缺陷检测对于底部填充质量的检验，主要采用超声扫描的方法进行检测。超声扫描的目的是检测由于粘接胶内出现超出预计粘接范围一定程度的空洞或分层，如图 7 所示。

a 底填充界面分层截面金相图

b 底填充分层超声扫描图

图 7  超声扫描检测底部填充工艺缺陷检

超声扫描采用显微成像原理检测样品内部缺陷，通过分析样品反射回来的超声波 的幅值和波形来检测样品内部缺陷，当样品出现空洞和分层时，超声波传播会发生反射、散射等，超声波会出现相移。超声扫描对于倒装焊器件的底部填充的检测精确率高达10 nm。

5、结语 

本文对倒装焊封装工艺过程缺陷和检测方法进行了系统分析：采用高分辨率 X 射线检测可实现凸 点制备、芯片倒装工艺中的焊点桥连和空洞缺陷； 采用三维 CT 检测技术可实现倒装焊点虚焊、冷焊 等缺陷的高精度检测和定位 ；采用超声扫描技术可实现倒装焊电路底部填充和热沉粘接工艺中的空洞、分层问题。为保证封装工艺质量，原则上需要在封装工艺过程中对全数产品进行上述无损检测，但由于 CT 检测的时间周期较长、检测成本较高，可在工艺稳定后进行抽样检查。

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