导体封装技术 bumping-睿诚科技协会

什么是 Bumping（凸块技术）？

Bumping，中文常译为“凸块技术”或“植球技术”，是指在芯片的焊盘上，通过特定的工艺方法，制作出微小的、凸起的金属球或柱状连接结构。

（图片来源网络，侵删）

您可以把它想象成：

这些微小的“凸块”不仅仅是物理上的连接点，它们更是实现芯片与外部世界（如封装基板、印刷电路板PCB或其他芯片）进行电气连接、机械支撑和热量导出的关键媒介。

在芯片制造中,硅片本身是绝缘的，其电路功能通过金属层（通常是铝或铜）连接到芯片表面的焊盘上，这些焊盘非常小且脆弱，无法直接用于焊接，Bumping技术解决了以下几个核心问题：

电气连接:
（图片来源网络，侵删）
- 功能： 凸块是芯片内部电路与外部封装基板/PCB之间的“电流通道”，当芯片通过倒装焊等技术与基板对准并加热后，凸块会熔化并形成可靠的电气连接，将芯片的信号、电源和地线引出。
- 重要性： 没有凸块，芯片的电路功能就无法与外界通信。
机械支撑:
- 功能： 凸块在芯片和基板之间提供了物理支撑，形成一个微小的间隙（称为Underfill（底部填充胶）的填充空间），这可以有效缓冲芯片在受到热胀冷缩、振动或冲击时产生的应力，保护芯片内部的精细电路不被损坏。
- 重要性： 提高了整个封装组件的机械可靠性和耐用性。
热量导出:
- 功能： 凸块通常由高导热性的金属（如金、铜、锡银合金）制成，它们可以充当“热通道”，将芯片工作时产生的大量热量高效地传导到封装基板（如硅通孔TSV基板、有机基板），最终散发到空气中。
- 重要性： 随着芯片集成度越来越高，功耗和发热量急剧增加，凸块的散热功能对于保证芯片稳定运行、延长寿命至关重要。

根据凸块材料、尺寸和工艺的不同，Bumping技术主要分为以下几类：

这是最传统、最广泛使用的技术，材料通常是锡铅合金或无铅焊料（如锡银铜合金，SAC）。

工艺：
1. UBM（Under Bump Metallurgy，凸块下金属层）沉积： 在芯片焊盘上先溅射或电镀一层多层金属（如Ti/Cr/Cu），用于增强焊料与硅片之间的粘附力和防止氧化。
2. 光刻： 像照相机一样，在UBM层上覆盖一层光刻胶，通过曝光、显影，只留下需要制作凸块的区域。
3. 凸块制作： 在开口中电镀焊料，形成焊料凸点。
4. 去胶和蚀刻： 去除光刻胶，并蚀刻掉暴露在外的UBM层，留下孤立的焊料凸块。
特点：
- 优点： 工艺成熟、成本相对较低、具有良好的熔融自对准特性（回流时能自动对准焊盘）。
- 缺点： 凸块尺寸受限于焊料的流动性，难以做到非常精细（通常大于50微米）。

主要应用于高可靠性领域,如陶瓷柱栅阵列封装。

工艺： 与焊料凸块类似，但最终电镀的是纯金。
特点：
- 优点： 耐腐蚀性极好、导电导热性能优异、可靠性高。
- 缺点： 成本非常高，无法通过熔融回流进行连接，通常需要使用助焊剂和高温热压。

这是目前先进封装领域的主流技术，是应对高密度、高I/O（输入/输出）需求的革命性技术。

工艺：
1. 在UBM上电镀一个铜柱作为核心支撑结构。
2. 在铜柱的顶部电镀一层薄薄的焊料帽。
特点：
- 优点：
  1. 高密度： 铜柱本身尺寸可以做得非常精细（小于20微米），且间距更小，极大地提高了I/O密度。
  2. 低电容： 铜柱是实心的，与焊料凸块相比，其寄生电容更低，有利于提高信号传输速度。
  3. 散热更好： 铜的导热性优于焊料，铜柱能提供更直接的热传导路径。
  4. 电迁移抗性强： 在大电流应用下，铜比焊料更不容易发生电迁移失效。
- 缺点： 工艺流程比传统焊料凸块更复杂，成本也更高。

为了结合不同材料的优点,出现了复合凸块，在铜柱凸块的顶部再电镀一层镍金层，用于后续的键合和防腐蚀。

Bumping技术最经典的应用场景是倒装焊。

Bumping技术是连接裸芯片和封装世界的桥梁，它不再是简单的“焊点”，而是集成了电气、机械、热管理等多重功能的核心构件。

其重要性体现在：

未来趋势：

Bumping技术是半导体封装领域一项不可或缺的、持续创新的“点金术”，它为芯片赋予了“生命”和“力量”，是支撑整个电子信息产业发展的幕后英雄。