为了获得更好的 TIM 性能，金属 TIM 被认为是一项重大改进。在各种金属中，在先前的研究中推荐使用熔点低的铟或铟合金[2]。要使用金属 TIM，必须在硅 (Si) 芯片和盖板表面同时进行背面金属化 (BSM)，因为金属 TIM 通过金属间键合与 Si 芯片和金属盖板结合，如图 1 所示。
图 1：FCBGA 上金属 TIM 的示意图
从凸点互连方法的角度来看，业内使用回流焊（MR）、热压键合（TCB）和激光辅助键合（LAB）。对于LAB，技术和键合机制已有报道，键合方法的一般比较如表 1 所示 [3]。这项新研究的重点是用于 BSM 芯片凸点互连的 LAB 技术。引入下一代 LAB 技术以克服现有 LAB 技术的局限性。此外，还根据优化的关键 LAB 参数检查了 LAB 工艺余量。此外，器件是在 LAB 记录过程 (POR) 条件下制造的，并提交了可靠性测试，并针对可靠性后的任何热退化进行了凸块接头横截面分析。
表 1：倒装芯片键合方法比较表
测试载体是一个 FCBGA 封装。封装体尺寸为 45 mm x 45 mm，硅芯片尺寸为 19.2 mm x 19.2 mm。凸点间距为 165 µm，圆形凸点直径为 85 µm。带有 20 µm 锡银 (Sn-Ag) 焊帽的铜 (Cu) 柱状凸点的总凸点高度为 60 µm x 40 µm。芯片背面金属化层用金 (Au) 完成。有机基板有六个铜层，焊盘 (SoP) 表面处理，总厚度为 1.07 毫米。表 2 总结了测试载体的其他信息。
表 2：测试载体的描述
非 BSM 芯片的现有 Top LAB 的结果
在对 BSM 芯片进行评估之前，评估了具有非 BSM 芯片（即普通硅芯片）的现有正面LAB 条件。POR 条件显示凸点互连没有异常。如图 2 所示，X 射线检查和凸块横截面均未显示非湿润或凸块短路情况。
图 2：非 BSM 芯片的 X 射线和凸块 X 截面
BSM 芯片现有 Top LAB 的结果
最初，将非 BSM 芯片的 POR LAB 条件应用于 BSM 芯片。然而，凸块互连没有完全形成，并且芯片与基板分离。原因是由于硅芯片的 Au 金属化表面的高激光反射率。如图 3 所示，Au 在红外 (IR) 波长处的反射率几乎为 100%。接下来，在leg 1 到leg 3 中以相同的键合时间施加 3 倍到 4 倍的高功率。4 倍高功率（leg 3）显示没有非湿润，但基板表面由于异常高的功率而被烧毁。3 倍放大率（第 1 条）显示没有基材表面损坏，但通过横截面分析观察到凸块不湿润。中间点 3.5X（第 2 条腿）显示凸块非湿润和基板表面损坏。
下一步，以相同的功率施加更长的 LAB 时间。Leg 4 到 Leg 6 使用了12X 到 16X 更长的时间。所有 Leg 3 均未显示基板烧毁，但即使在最长的粘合时间下也检测到凸起非湿润横截面。汇总结果如表 3 所示。X 射线图像和凸块横截面图像如图 4 所示。
根据结果，很难找到适合大规模生产的最佳 LAB 条件和可接受的工艺余量。由于非润湿风险，不推荐将现有的 LAB 技术用于 BSM 芯片凸点互连。这促使人们寻找新的粘合方法。
图 3：金属的反射率 (%) 与波长的关系
表 3：使用现有 LAB 的每个leg的结果
(4a) leg 1：3 倍功率
(4b) leg 2：3.5 倍功率
(4c) leg 3：4 倍功率
(4d) leg 4：12X 时间
(4e) leg 5：14X 时间
(4f) leg 6：16X 时间
图 4：现有 LAB leg的 X 射线、横截面和基板目视检查图像。
为了避免BSM 金属化表面的高反射率，提出了一种反向型 LAB，激光从底部 BGA 侧发射到凸点，通过级块传输。这个下一代 LAB 应该克服现有 LAB 的局限性。目标应用是 BSM 芯片、高带宽存储器（采用环氧树脂模塑料 (EMC) 封装）和 2.5D 模块互连。图 5 详细显示了现有正面LAB和下一代LAB（反向LAB）的示意图。
图 5：现有 LAB（左）和下一代 LAB（反向LAB）（右）的示意图
经过几次调整功率和时间的试验后，达到了最佳的LAB条件。在这些 POR 条件下，通过施加 ±10% 的功率来研究 LAB 参数余量。图 6 显示了结果。所有三个参数都显示出良好的互连，在 BGA 侧没有任何凸块非湿润、凸块短路或基板表面损坏。
(6a) POR 条件
(6b) POR-10% 条件
(6c) POR+10% 条件
图 6：使用 Next Gen LAB 的 X 射线，截面以及基板目视检查图像
接下来，测量 BSM 模具表面的峰值温度。通常对于 LAB，IR 摄像机用于测量温度，但对于 BSM，凸块区域的芯片温度也通过热电偶 (TC) 测量，因为 BSM 表面温度预计因高反射率而较低。如图 8 所示，热电偶插入芯片和基板之间的芯片角和芯片中心位置。由于金属的低发射率，BSM 芯片的 IR 峰值温度仅为65~75°C 左右。在 POR 条件下，基板温度约为254~264°C。然而，凸点处的热电偶温度约为 254~259°C，超过了焊料熔化温度。IR 峰值图像、IR 温度和热电偶曲线分别如图 7 和图 8 所示。
图 7：红外峰图像（左）和红外图（右）
图 8：TC 套件位置（顶部的圆圈）和温度曲线（底部）
回流焊是可能的，因为 165 µm 的凸点间距在 120 µm 的 MR 能力范围内。使用无铅焊料的标准回流曲线封装器件。结果，如图 9 所示，在 X 射线检查和截面分析中没有凸点短路。但是，MR 显示焊料侧壁蠕变（芯吸）比 LAB 多，预计 MR 将难以适用于细凸点间距器件。换句话说，为了实现高生产率，Next Gen LAB可能是采用 BSM 芯片的密集凸点间距器件的唯一解决方案。
图 9：X 射线和隆起 X 截面图像与 MR
除了 BSM die 应用，DRAM attach 和 2.5D module attach 将需要 Next Gen LAB 技术。这两种应用的开发仍在继续，迄今为止，已经取得了具有良好互连性的可喜成果。表 4 显示了下一代 LAB 应用程序的示意图。
表 4：下一代 LAB 应用程序的示意图
零件是在 POR LAB 条件下制造的，并经过标准的 JEDEC 可靠性测试。忽略盖子和焊球附着，测试集中在凸块互连上，看是否有任何后期可靠性异常。在每次读数时，都会检查 SAT 和凸点横截面。遗憾的是，由于没有 O/S 测试套件，未执行开路/短路 (O/S)测试。最后，通过Unbiased Highly Accelerated Stress Test (UHAST) 192小时，Temperature Cycle, Condition B (TCB) 1000X和高温存储(HTS) 1000小时，所有读取点均未出现SAT异常，凸块横截面也未出现异常，如图所示在表 5 中。
表 5：可靠性测试结果
为了提高质量，开发了 Next Gen LAB。这是一种反向型 LAB，其中从底部 BGA 侧到凸点的激光发射通过阶段真空块传输。新的LAB 工艺在 165 µm 凸块间距测试车辆中没有观察到基板BGA 侧表面损坏、凸块未润湿和凸块短路的情况下显示出令人鼓舞的结果。此外，±10%的参数窗口也没有显示异常。在POR LAB 条件下构建的部件在 SAT 上没有显示异常，并且凸点互连通过了 UHAST 192 小时、HTS 1000 小时和 TCB 1000X 的所有 JEDEC 可靠性测试。
回流焊对于 165 µm 凸点间距测试车辆也显示出可喜的结果，没有观察到凸点短路和凸点不润湿。然而，MR比 LAB 显示出更多的焊料侧壁蠕变（芯吸），因此很难应用于精细凸点间距器件。
下一代LAB 的开发是为了克服现有 LAB 的局限性，它可能是BSM 芯片精细凸点间距互连的唯一解决方案。这也将为高带宽内存绑定和2.5D模块互连提供解决方案。
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作者
SEOKHO NA
其他作者
MinHo Gim、ChoongHoe Kim、DongHyeon Park、DongSu Ryu、DongJoo Park、JinYoung Kim – Amkor Technology Korea
致谢
这项研究得到了 Amkor Technology 全球研发中心的支持。作者要特别感谢研发中心、实验室团队、FA团队和可靠性测试团队成员。
参考
[1] Sean S. Toom 等人，“用于微处理器的铟热界面材料开发”，2009 年 IEEE 第 25 届 SEMI-THERM 研讨会，2009 年。
[2] YunAh Kim 等人，“下一代 FCBGA 的金属热界面材料”，2021年电子元器件和技术会议，2021 年。
[3] MinHo Gim 等人，“采用激光辅助键合的高性能倒装芯片键合机制研究”，2020 年电子元器件与技术会议，2020年。
原文始发于微信公众号（安靠上海）：下一代激光辅助键合 (LAB) 技术
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