凸点 (bump) 是在晶圆焊盘上制作的微小金属凸起，是倒装芯片(flip chip) 互连的“触点”。芯片翻转后，凸点(bump) 直接与基板、中介层或另一颗芯片相连，取代了传统的引线键合。与引线相比，凸点(bump) 互连路径短、寄生电感小、散热更好，而且可以布满整个芯片表面，从而大幅提高I/O 数量。在晶圆阶段统一制作凸点 (bump) 的工序称为晶圆凸点制作(wafer bumping)，是连接前道晶圆制造与后道封装的关键环节。从早期的高铅焊料凸点，到无铅锡银凸点、铜柱凸点 (Cu pillar bump)、微凸点(micro-bump)，再到正在兴起的无凸点混合键合(hybrid bonding)，凸点(bump) 技术的演进主线是节距不断缩小、电流承载能力不断提高。本文介绍凸点(bump) 的类型与尺寸、结构与凸点下金属层(UBM)、制作与电镀工艺、检测、可靠性、组装方式以及应用与发展趋势。倒装芯片 (flip chip) 于20 世纪60 年代由IBM 推向商用，最初用于大型机中的晶体管和二极管。随后发展出的可控塌陷芯片连接 (controlled-collapse chip connection, C4) 采用高铅焊料凸点，焊接时焊料熔化塌陷，在表面张力作用下实现自对准，一次回流(reflow) 即可完成全部焊点；典型C4 凸点的焊盘约100 µm、高度约100 µm。此后，单颗芯片上的凸点 (bump) 数量从早期的3 个增加到上万个。欧盟 RoHS 指令推动凸点(bump) 由高铅焊料转向锡银焊料或铜柱加无铅焊料帽；铜的热导率约 400 W/(m·K)，远高于焊料的55～60 W/(m·K)，电阻率也仅为焊料的约1/7，因此带焊料帽的铜柱凸点(Cu pillar bump，又称C2 凸点) 在细节距下具有更好的电、热性能。凸点 (bump) 并非只传递信号，相当一部分用于供电和接地。图1为一个芯片的面阵列凸点(bump) 布局，大量凸点被分配给电源（VDD）和地（VSS），以降低供电网络的电阻与电感。 图1 面阵列凸点布局示例，凸点分配给电源（VDD）、地（VSS）与信号一个完整的晶圆凸点 (bump) 自下而上通常包括：芯片铝或铜焊盘、钝化层、聚合物再钝化层(repassivation)、凸点下金属层(under bump metallurgy, UBM) 和凸点(bump) 本体。聚酰亚胺再钝化层(repassivation) 起应力缓冲作用；凸点下金属层(UBM) 是多层金属叠层，同时承担黏附、扩散阻挡、润湿和防氧化等功能。典型的凸点下金属层 (UBM) 先溅射0.1～0.2 µm 的Ti 或TiW，再溅射0.3～0.8 µm 的Cu 作为种子层，之后电镀约5 µm 的Cu。铜柱凸点 (Cu pillar bump) 一般在铜柱与焊料之间加一层Ni 作为扩散阻挡层，常见叠层为Cu+Ni+无铅焊料或Cu+Ni+Cu+无铅焊料。凸点下金属层 (UBM) 设计不当会直接导致失效：1 µm 薄铜层在多次回流(reflow) 中被焊料完全消耗后，焊料直接接触不润湿的Ti、Al 而分层；而Al/Ti/5 µm Cu 和Al/Ni/Cu 结构在4 次回流或150 °C 时效7 天后仍保持良好的剪切强度。图2a 为设计的30 µm 纯锡微凸点(micro-bump) 结构：Ti 种子层上依次电镀Cu 柱、Ni 阻挡层、薄Cu 层和Sn 焊料帽。图2 电镀纯锡微凸点(micro-bump)：(a) Ti/Cu/Ni/Cu/Sn 叠层结构；(b) 4 英寸晶圆上的微凸点阵列凸点 (bump) 制作方法有十余种，其中电镀(electroplating) 最为常用。主要方法包括：（1）电镀：溅射种子层后以光刻胶开窗，在开口内电镀金属，再去胶、刻蚀种子层并回流(reflow) 成形，焊料凸点直径多在75～500 µm，铜柱凸点 (Cu pillar bump)、微凸点 (micro-bump) 和金凸点也都采用电镀；（2）植球(ball placement)：把预制焊球放到涂有助焊剂的焊盘上回流，晶圆级芯片尺寸封装(WLCSP) 常用此法，回流前焊球直径 250～300 µm；（3）其他方法，如焊膏印刷、金线柱状凸点等，后者已在许多高密度设计中被成本更低的细节距铜柱凸点取代。金凸点的工艺：溅射 TiW/Au 凸点下金属层(UBM)、光刻、电镀金、去胶、刻蚀种子层，最后退火，成品高度15～20 µm，最小节距45 µm，通过热压方式装配到玻璃（COG）或柔性薄膜（COF）上。（1）高度均匀性与共面度(coplanarity)。凸点(bump) 高度不一致会造成部分凸点虚焊，节距越小、采用热压键合(thermocompression bonding, TCB) 时要求越严。在9 ASD、30 °C 下电镀纯锡焊料帽，优化锡浓度（60 g/L）、添加剂和温度后，芯片内凸点高度偏差约2 %，晶圆内凸点高度均匀性达±1.9 %。（2）锡银合金电镀。无铅焊料帽多采用甲基磺酸（MSA）体系电镀锡银合金。镀液在溶解氧和Ag+ 作用下会将 Sn2+ 氧化为 Sn4+，并析出粒径小于 100 nm 的SnO2 颗粒；这些颗粒在阴极偏压下随镀层共沉积，使凸点表面硬化、可焊性下降，最终在回流 (reflow) 中造成凸点“塌陷失效”。因此镀液老化监控与再生是锡银电镀的关键。（3）设备。凸点电镀需要兼顾高沉积速率与均匀性。以板级电镀为例，盛美半导体2025 年推出的水平式面板电镀设备采用高速搅拌桨，铜柱高度可超过300 µm，可电镀铜、镍、锡银和金。凸点 (bump) 的常规检测包括外观与尺寸（直径、高度、共面度(coplanarity)）、剪切强度、截面金属间化合物(IMC) 与空洞分析，必要时采用 X 射线和扫描声学显微镜检查内部缺陷。剪切强度可反映界面质量：用50 µm 推刀、22 µm 剪切高度、100 µm/s 速度测试30 µm 纯锡微凸点，发现剪切强度在前3 次回流(reflow) 中迅速上升，3～7 次间基本稳定，10 次后明显下降；截面分析显示，金属间化合物(IMC) 由孤立岛状逐渐连成层状，10 次回流后界面仍未出现柯肯达尔空洞。（1）电迁移(electromigration, EM)。凸点(bump) 尺寸缩小后电流密度急剧上升，电迁移(EM) 成为主要可靠性问题。其平均失效时间常用Black 方程描述：MTTF = A·j−n·exp(Ea / kT)式中，j 为电流密度，n 为电流密度指数，Ea 为激活能，k 为玻尔兹曼常数，T 为热力学温度。在同一测试载体上对比了铜柱、高铅、锡银和锡铅凸点，发现铜柱凸点(Cu pillar bump) 的电迁移(EM) 性能明显更好，原因是较厚的铜柱减轻了焊点处的电流拥挤(current crowding)。微凸点 (micro-bump) 的焊料很薄，问题更为突出。直径50 µm、高55 µm、Ni 层约2 µm、焊料约20 µm、节距80 µm 的Cu/Ni/Sn-1.8Ag/Cu 微凸点（图3）：在125 °C、3.5×104 A/cm2 直流下通电 220 h，焊料几乎完全转变为Cu6Sn5 和 Cu3Sn，阴极侧Ni 层溶解后铜柱直接与焊料反应，阴、阳两极差异明显；改用双向电流时（图 4），电迁移通量相互抵消，极性效应显著减弱。 图3 铜柱微凸点(micro-bump) 菊花链测试芯片：(a) 芯片外观；(b) 截面（铜柱半径25 µm、高55 µm，焊料高约20 µm，节距80 µm） 图4 125 °C、3.5×104 A/cm2 下通电后的微凸点截面：(a)(c) 直流；(b)(d) 双向电流（正向占空比50 %）（2）热机械可靠性。硅的热膨胀系数约2.5 ppm/°C，有机基板为15～18 ppm/°C，二者失配会在凸点(bump) 中产生周期性剪切应变。底部填充(underfill) 能显著提高焊点的热疲劳寿命，在有机基板上几乎是必需的；按工艺顺序可分为回流后填充的毛细底部填充（CUF）、模塑底部填充（MUF），以及键合前预置的非导电胶（NCP）和非导电膜（NCF）等。（3）界面反应。凸点(bump) 在多次回流(reflow) 和高温服役中，焊料与Cu、Ni 持续生成金属间化合物(IMC)。适度的IMC 是连接强度的来源，但过厚或在电流作用下全部转化为IMC，会使焊点变脆、电阻升高。凸点 (bump) 芯片与基板的连接主要有两种方式。一是批量回流 (mass reflow)：已沿用近50 年，依靠焊料表面张力自对准，工艺稳健，主要用于C4 焊料凸点；铜柱凸点 (Cu pillar bump) 的焊料少、自对准能力弱，较少采用批量回流。二是热压键合 (TCB)：逐颗芯片加热加压，低压力方式配合毛细底部填充，高压力方式配合非导电胶或非导电膜，可实现更多引脚、更细节距和更薄芯片，并更好地控制翘曲与倾斜，缺点是产能较低。凸点 (bump) 技术已覆盖几乎所有高端封装：铜柱凸点(Cu pillar bump) 用于收发器、嵌入式处理器、应用处理器、电源管理、基带芯片和SoC 等；微凸点 (micro-bump) 用于CoWoS 等2.5D 封装和芯片堆叠，其高度一般不超过100 µm，节距可小于50 µm；晶圆级芯片尺寸封装 (WLCSP) 以植球凸点直接贴装到印制板；金凸点 (bump) 仍是液晶和OLED 显示驱动芯片的主要封装工艺。发展趋势主要有四点：（1）节距持续缩小。铜柱凸点 (Cu pillar bump) 已可做到30 µm 直列节距，但焊料互连的节距极限约为 10 µm。（2）向无凸点混合键合 (hybrid bonding) 过渡。混合键合通过介质层与铜焊盘直接键合，并经约300 °C 退火形成永久连接，英特尔已开展3 µm 以下节距的芯片到晶圆混合键合研究，面向AI 与高性能计算。（3）组装方式由批量回流转向热压键合(TCB)，以适应细节距、薄芯片和大尺寸芯片。（4）由晶圆向面板延伸，板级电镀设备支持更高铜柱和更大产能。晶圆凸点 (bump) 是倒装芯片(flip chip) 和先进封装的“接口”。从C4 焊料凸点到铜柱凸点(Cu pillar bump)、微凸点(micro-bump) 和金凸点，凸点结构由“UBM + 焊料”发展为“UBM + 铜柱+ 镍阻挡层+ 焊料帽”的多层体系，工艺以电镀为核心。凸点下金属层(UBM) 设计、电镀均匀性与镀液管理、金属间化合物(IMC) 控制以及电迁移(EM) 性能，共同决定凸点的良率与可靠性。随着节距逼近焊料互连的极限，混合键合(hybrid bonding) 将在高端3D 集成中逐步接替微凸点，而铜柱凸点与微凸点仍将在主流倒装和2.5D 封装中长期应用。
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