這些I/O通常由銅柱(Copper Pillar) 及焊帽(Solder Cap)連接而成。目前焊帽技術可做到的最小間距40μm，而前段曝光機(Lithography Stepper)的光罩尺寸限制， 使得晶片尺寸被限制在32mm x 28mm以內，因此在一個全光罩最大尺寸的晶片裡，可製作高達約56萬個I/O連結。
當高密度I/O遇上焊接氧化 問題更棘手
現今的Chip to Wafer機台，其封裝的環境大多都是暴露於空氣中。因此，如何防止升溫時產生的金屬氧化，成為非常重要的課題之一。普遍用來防止焊接點氧化的技巧為先在晶片上沾抗氧化劑/助焊劑(Flux)，或於基板上塗抹Flux。但這些Flux需要在填膠(Under-fill)之前清洗乾淨，否則Flux會使填膠無法附著於表面，造成注塑成型(Molding)後，I/O腳柱邊會產生一些空隙，使再次回焊時，焊料可能會流向這些空隙，引發短路。
由於一片小小的晶片上，可能會有高達50萬個I/O連結，可想而知清洗將會是一項非常大的難題。坊間雖有免清洗的Flux，但這種Flux還是會有非常少量的殘留物，而且這些殘留物比需要水洗的Flux更難清除，故這種免清洗Flux並非問題的根本解決之道。
要避免使用Flux的方法之一，為在充滿氮氣這類惰性氣體的環境下進行封裝。但要成功防止氧化，需要每分鐘大於1,000公升的氮氣流量，使製程成本增加太高，不適合投入大量生產。另一個方法為在焊料上以貴金屬進行表面處理，降低焊接時的熔點溫度。但此方法工序多且複雜，也難以在大量生產中實現。
改用甲酸好處多多
本文將介紹庫力索法(K&S)最新推出的無助焊劑熱壓接合技術，此技術利用含甲酸(Formic Acid)氣體環繞置件環境，有效清除氧化物及防止氧化，其效果不亞於傳統助焊劑，並且有效控制成本，可以推廣到大量生產中。
這個技術被許多封裝大廠認為是未來解決間距小於40μm的Ultra Fine-pitch Chip to Wafer接合的有效方案。事實上，使用還原性氣體如甲酸蒸氣建構焊接環境，已被運用於回焊爐(Mass Reflow)中有段時間了，這幫助很多的覆晶(Flip Chip)製程省去了上Flux，以及回焊後清除Flux的工序。但由於晶片在升降溫的過程中，可以在回焊爐中自由地移動，因此一些更複雜、更薄、更多I/O的應用，還是要使用熱壓接合(TCB)技術進行封裝較為適合。熱壓接合技術提供了更好的翹曲控制、局部加熱，及高精度對位控制。
在庫力索法最新型的熱壓接合機台中，在Bond Head周圍做了一個小型包覆空間，在Bond Head帶著晶片到距離基板有一小段距離的位置時，就會開始建構甲酸氣體環境。在置件前，先用甲酸與已氧化的銅及焊料金屬結合，形成一層薄薄的甲酸銅或甲酸錫，覆蓋於材料表面，而這層甲酸化合物將會被在溫度被升高到180°C(如錫)時還原為金屬，進而清除一開始的氧化物。其化學反應式如下：
在這個小型覆蓋區域中，庫力索法設計了三條不同的氣流管來形成甲酸包覆空間，最外圍的氣流管釋放氮氣，以產生氮氣屏障保護內部的甲酸氣體不外流；最內層的氣流管則釋放各個應用所需的甲酸濃度，其釋放的氣體包含了氮氣及甲酸氣體，調節比例以達最佳濃度；而中層的氣流管為真空管，帶走反應後的殘餘氣體。另外還透過流體力學的計算確保在這個空間內，材料能均勻且有效地被甲酸環境包圍，直到置件結束後才會停止甲酸環境。
甲酸結合Cu-Cu焊接將為未來趨勢
未來熱壓接合金屬接點將會發展為Cu-Cu，這是因為接合點間的間距要求越來越小，銅腳柱可以有效做到小於等於20μm的尺寸，因此庫力索法也針對了這點做了Cu-Cu間，用甲酸完成熱壓接合的試驗(圖1)，其效果是非常有可靠性的。
關於Cu-Cu焊接，另外一個很重要的挑戰關鍵為須保持整個晶片的平整度。目前可選用的製程方法有化學機械平坦化(CMP)及Flying Cut，CMP可將平整度控制在1nm以內，但其工序非常複雜且昂貴，因此Flying Cut是較為通用的方式，其平整度控制於1~20nm間，為現今應用可接受的範圍內。
(本文作者任職於K&S)
