在制造倒裝晶片凸起的過程中，引入絕緣層將倒裝IC表面的拓撲圖進行表面平整處理后，合同制造商就可以采用統(tǒng)一的設(shè)計規(guī)則來加工表面拓撲各異的IC。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。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表面的拓撲圖進行平面化處理，這樣，合同制造商就可以采用統(tǒng)一的設(shè)計規(guī)則來處理表面拓撲各異的IC。

 

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?，合同制造商無法控制晶片設(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撲圖的了解。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IP，通常不會提供更多的布線層資訊。因為晶片頂層拓撲圖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撲圖。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鈍化層構(gòu)成的不平整拓撲圖產(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撲實例
 

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撲圖，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，因為合同加工服務(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撲圖的布線方法。

 

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現(xiàn)焊接互連結(jié)構(gòu)和二次金屬布線。在實際應(yīng)用中，要采用一種有機鈍化層，如Dow 化工公司提供的BCB材料。圖4所示為表面平整的實例。
 

圖4：表面平整的實例
 

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)的拓撲圖問題就迎刃而解了。

 

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)，進而實現(xiàn)高度可靠的PCBA組裝。