局部增強壓焊塊鋁層厚度的工藝方法

馬萬里，趙文魁

(深圳方正微電子有限公司，廣東深圳 518116)

芯片封裝打線工藝的發展趨勢是逐步采用銅線做打線的線材，代替金線和鋁線。主要是由于銅線有低的電阻率、高的熱導率、價錢低等一系列的優勢。但是銅線相對于金線和鋁線，其硬度比較高，且容易氧化，打線的時候，容易將芯片壓焊塊打穿，所以用銅線在封裝打線的時候，對芯片壓焊塊金屬層厚度的要求也更高，并且越粗的銅線，對壓焊塊的金屬層厚度要求越厚。而芯片制造工藝由于存在一定的局限性，并不能完全滿足此要求，所以這種矛盾目前越來越突出。

1 銅線封裝的常規做法

近年來隨著金價的飛速上漲，銅線封裝作為一種降成本手段，在加上原本的低電阻率等諸多優點(如表1所示)，故越來越多的客戶要求采用銅線封裝代替金線。

表1 銅線封裝的優點(與金焊線相比)

采用銅線封裝時，不同封裝廠的設備、工藝，對芯片壓焊塊鋁層的厚度要求不同，如果鋁層厚度不夠，就會出現壓焊塊打穿的問題，如圖1所示。

圖1 打銅線時芯片壓焊塊的鋁層被打穿

越是成熟的銅線封裝工藝，對壓焊塊鋁層厚度要求越低。一般情況下，不同粗細的銅線封裝時對壓焊塊鋁層厚度的要求不同，如表2所示。

目前已有的芯片制造工藝，壓焊塊的金屬層厚度就不能完全滿足銅線打線的要求。如果直接單純的加厚的芯片制造工藝的金屬層厚度，那會給金屬層的線寬控制、刻蝕帶來很大的麻煩。同樣的金屬條寬度/間距，金屬層越厚，金屬線條的高度/寬度比越大，金屬刻蝕的困難就越大（如圖2所示）。

表2 銅線封裝對壓焊塊金屬層厚度的要求

圖2 薄金屬層與厚金屬層在刻蝕時的差異

目前的解決辦法是，封裝廠在不斷地優化改進銅線封裝水平，以便當芯片壓焊塊金屬不額外增厚的情況下，能將打線工藝完成。但是，這個改進，一直沒有達到理想的水平。能夠做好銅線封裝的廠家，并不多。更關鍵的是，現在越來越多的客戶，為了降低封裝成本，陸續都采用銅線封裝，不斷地要求芯片制造廠要滿足銅線封裝工藝，這個問題在近兩年內顯得非常突出，這就要求芯片制造工藝必須做某些改善。

2 鈍化層反版局部加厚壓焊塊金屬層

2.1 局部加厚壓焊塊金屬層的方法

在鈍化層制作以后，再進行一次金屬濺射、光刻、刻蝕，不過此時采用的掩模版，需要將壓焊塊區域的金屬保留下來。其他的金屬全部在酸槽中腐蝕掉。具體做法如下：

第一步：金屬層的濺射、光刻、刻蝕。此步需要根據芯片功能需要，完成芯片內的金屬走線，同時形成壓焊塊，此時壓焊塊表面的金屬與芯片內金屬走線的金屬厚度一樣。因為走線的線條寬度與間距是比較小的，所以此工序不能生長太厚的金屬層。

第二步：鈍化層的生長、光刻、刻蝕。生長鈍化保護層，并且將壓焊塊的區域刻蝕出來。此時壓焊塊上金屬層厚度，可以滿足金線和鋁線的打線要求，但是不能滿足銅線的要求。

第三步：第二次金屬層的濺射（濺射后如圖3所示）、光刻、刻蝕（刻蝕后如圖4所示）。目的是在壓焊塊區域上，再做上一層金屬，而芯片內，金屬走線的金屬層沒有被加厚，所以此時d1＞d2。此處生長的金屬層，其對均勻性/反射率等參數，要求并不高，生產線可以安排較陳舊的濺射/蒸鍍設備來作業，以提高設備的利用率。并且由于壓焊塊的尺寸以及間距都很大（都在幾十微米以上），故此處完全沒有了金屬層細線條/間距對刻蝕的影響限制，所以可以生長很厚的金屬層（可達數微米厚），并且后續的刻蝕也是完全沒有問題的，可以采用濕法刻蝕，工藝成本也不高，速度也快，常規濕法鋁腐蝕液成份為：H3PO4:HNO3:CH3COOH:H2O＝16:1:1:2。

圖3 第二次金屬層濺射以后的結構

圖4 第二次金屬層刻蝕以后的結構

采用如上的方法，可以只將芯片的壓焊塊區域的鋁層加厚，而其它區域的鋁層不受影響。圖5 、圖6是鈍化層上生長鋁前后的對比。

后續在進行打銅線時，壓焊塊區域就能夠滿足打線需求。驗證實驗中，采用直徑為20 μm的銅線，在Eagle60AP型號的打線機上進行打線，對于鋁層總厚度為1.8 μm的壓焊塊（第一層鋁0.8 μm，利用PAD反版又加厚了1μm），打線失效率僅為0.76%。完全能滿足打銅線量產的質量要求。

圖5 未加厚鋁層前的壓焊塊

圖6 加厚鋁層后的壓焊塊

2.2 局部加厚壓焊塊鋁層的工藝控制要點

2.2.1 鋁層的刻蝕

由于最后一次生長的鋁層位于鈍化層之上，后續刻蝕需要保證不能損傷鈍化層，故只能采取濕法腐蝕的方式進行，并且此層腐蝕的圖形只是一系列與壓焊塊大小的鋁塊，線寬在幾十微米以上，所以過蝕量可以設置的大一些（100%以上），確保鈍化層表面不殘留有鋁。

2.2.2 最后一層鋁的生長

此層鋁用于打線，并且做完濕法腐蝕后，不會再進行其它方式的刻蝕，所以此層鋁的表層不能生長抗反射層TiN。再者此層線寬很大，光刻也不存在問題，所以也沒有必要再生長TiN。

2.2.3 在加厚的鋁層生長后進行光刻時的膠殘留

在鈍化層表面生長金屬以及進行涂膠，會產生一種特殊的問題，由于鈍化層覆蓋在金屬條上以后，會在金屬條之間形成一系列很小的縫隙，此時生長金屬或者涂膠時，就會有一些金屬長進去或者光刻膠流進去，同時由于這些縫隙太小，會造成顯影無法將縫隙中的光刻膠去除，刻蝕也無法將縫隙中的鋁腐蝕掉，試驗中，加厚的鋁層為M2i濺射機生長的1 μm鋁層，涂膠為1.3 μm的正性光刻膠，顯影后的情形如圖7所示。可以看到，鈍化層的縫隙之間存在無法去除的光刻膠。這會在最后的合金化步驟中，因為光刻膠的受熱碳化而污染爐管，這是我們不能接受的。

圖7 鈍化層上生長鋁層/涂膠/顯影后的情形

為了避免污染爐管，實驗中嘗試采用先合金，再進行光刻的辦法。就是當加厚的鋁層生長好以后，先進行合金化，然后再進行光刻步驟。此時，即使光刻時會在小縫隙中殘留光刻膠，也不會污染爐管。但這又會產生另一個問題，由于鋁膜在經過合金化后，膜層表面會生長出一些凸起，俗稱hill lock。然后在后續的PAD反版光刻工藝時，由于這些Al凸起對光線的散射/反射等因素，造成了光刻機套準的困難。通過設置合適的對準模式（FIA），可以解決套準不通過的問題。

3 其它方式局部加厚壓焊塊鋁層工藝

（1）先將壓焊塊局部加厚，再做常規金屬層生長刻蝕。先進行鋁層生長，通過光刻/濕法刻蝕，只將壓焊塊區域的鋁層留下來，然后進行金屬層的生長，刻蝕出金屬線條。

（2）一次性生長厚的鋁層，再進行兩次刻蝕。

先一次性生長足夠厚的鋁層，通過光刻/濕法刻蝕，將壓焊塊區域的厚鋁全部保留下來，但其它區域的厚鋁只刻蝕一半的厚度，對剩下的鋁層，再進行光刻/刻蝕，做出金屬走線。

4 結束語

目前采用銅線封裝工藝是大勢所趨，在各個封裝廠的銅打線工藝能力良莠不齊的情況下，對芯片壓焊塊鋁層厚度的要求也是差異很大，為了滿足客戶的要求，芯片制造工藝就不得不做出一些必要的優化。

將來隨著封裝廠銅線工藝能力的提高，對芯片壓焊塊的鋁層厚度依賴度就會逐漸降低，芯片制造就不必為此進行這些額外的工藝。

[1]Dr.Christopher.微電子器件封裝中銅與金球鍵合的比較[J].電子工業專用設備，2009，38(7)：29-32.

[2]魯凱，任春嶺.銅絲球鍵合工藝及可靠性機理[J].電子與封裝，2010，10(2)：5-10.

[3]常紅軍，王曉春.銅絲鍵合工藝研究[J].電子工業專用設備，2009，38(5)：20-24.

[4]丁雨田，曹軍.電子封裝Cu鍵合絲的研究及應用[J].鑄造技術，2006，27(9)：971-974.

[5]吳建得，羅宏偉.銅鍵合線的發展與面臨的挑戰[J].電子產品可靠性與環境試驗，2008，26(6)：42-45.

[6]H.K.CharlesJR，K.J.Mach，S.J.Lehtonen.Wire Bonding atHigher UltrasonicFrequencies[J].ReliabilityandProcess Implications.Microelectronics Reliability，2003，43(1)：141-153.

[7]畢向東.半導體封裝業中銅線鍵合工藝的應用[J].電子與封裝，2010，10(8)：1-4.

[8]魯凱，王春青.Cu引線超聲鍵合FAB工藝及影響研究[J].電子工藝技術，2008，29(4)：192-207.