先進(jìn)封裝中的翻轉(zhuǎn)芯片技術(shù)概述

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
3 L& I/ m( @. ]' G. h$ I翻轉(zhuǎn)芯片技術(shù)已成為半導(dǎo)體行業(yè)中不可或缺的封裝方法，在性能、尺寸減小和功能增加方面具有優(yōu)勢(shì)。本文概述翻轉(zhuǎn)芯片技術(shù)，包括晶圓凸塊制作工藝、組裝方法和進(jìn)展。


翻轉(zhuǎn)芯片技術(shù)簡介
翻轉(zhuǎn)芯片技術(shù)由IBM在20世紀(jì)60年代初引入，涉及將芯片的有源表面直接通過導(dǎo)電凸塊連接到基板上。與傳統(tǒng)的引線鍵合相比，這種方法具有以下優(yōu)勢(shì)：
5 B+ [  m: }# h/ j# _

由于互連更短，電氣性能更好

更高的I/O密度

更小的封裝尺寸

更好的散熱性能

" J8 y' R7 F) q' M9 @- d晶圓凸塊制作工藝
晶圓凸塊制作是翻轉(zhuǎn)芯片技術(shù)中的關(guān)鍵步驟。兩種常見的方法是模板印刷和電鍍。

模板印刷
5 F6 v1 l' q" w. K模板印刷是一種簡單且具有成本效益的晶圓凸塊制作方法。過程包括：

通過模板將錫膏涂到晶圓焊盤上

回流錫膏形成凸塊
[/ol]
圖1說明了準(zhǔn)備進(jìn)行模板印刷的晶圓：
0 {- ?& Q& X5 B1 I: H: b1 {" ]  j9 ]6 w
0 P" _" x/ Y4 k, E圖1
+ q. U9 |; @# c) f0 ?3 f4 p  D# c/ ]
該圖顯示了一個(gè)8英寸晶圓，每個(gè)芯片有48個(gè)焊盤，焊盤間距為0.75毫米。使用的模板具有不同的開口尺寸和形狀，以優(yōu)化凸塊形成。

! S9 G6 D5 g6 I& ^  o1 e# F$ _/ k, RC4（受控塌陷芯片連接）晶圓凸塊制作
C4凸塊制作通常通過電鍍完成，包括以下步驟：

濺射凸塊下金屬層（UBM）

涂布和圖案化光刻膠

電鍍銅和焊料

剝離光刻膠并蝕刻UBM

回流焊料形成球形凸塊
[/ol]
圖2說明了C4晶圓凸塊制作過程：

; F4 j4 w9 }' x+ B1 g/ I+ e8 q圖2
/ M3 e( B6 O& j2 @# [
6 y* G+ z% [2 V# ]: W+ e7 v4 {" cC2（芯片連接）晶圓凸塊制作
C2凸塊制作是C4的一種變體，使用帶有焊料帽的銅柱。這種方法允許更細(xì)的間距和更好的熱電性能。該過程與C4凸塊制作類似，主要區(qū)別在于在焊料帽之前電鍍銅柱。
0 h) [. H. |( N* b
9 p. T) w" T. z  I; T圖3顯示了C2晶圓凸塊制作過程：
) i" \1 W0 X0 i+ x& C. y9 }, M
圖3

0 D3 C( ~( t# B2 x3 x! ]; l
翻轉(zhuǎn)芯片組裝方法
有幾種方法可以將翻轉(zhuǎn)芯片組裝到基板上。選擇取決于凸塊類型、間距和可靠性要求等因素。
( \- n( l: \) H1 l
  x3 k  E! Q0 b* g$ k+ J' ?7 aC4或C2凸塊的批量回流（CUF）
這是最常見的翻轉(zhuǎn)芯片組裝方法，包括：

在凸塊或基板上涂助焊劑

將芯片放置在基板上

回流組件形成焊點(diǎn)

為提高可靠性而施加毛細(xì)管底填充（CUF）
[/ol]
9 d" [# k9 |9 D. C5 B! o$ o! H圖4說明了這個(gè)過程：
% ^: q' V; ?- m3 C9 [
圖4

低力熱壓鍵合（TCB）（CUF）
0 p8 n, o7 m+ }& A對(duì)于更高的引腳數(shù)和更細(xì)的間距，使用低力TCB：

涂助焊劑

將芯片放置在基板上

施加熱量和低壓力形成焊點(diǎn)

施加毛細(xì)管底填充
[/ol]
7 d* J* S: b6 V7 }% |8 C# J圖5顯示了這個(gè)過程：
! g. M7 h! E5 C
. t1 v# X8 T4 K) j圖5

/ H5 V* ?0 i' F* @+ \! J高力TCB（NCP/NCF）
對(duì)于更細(xì)的間距和更薄的封裝，使用高力TCB和預(yù)先涂布的底填充：

在基板或芯片上涂布非導(dǎo)電糊料（NCP）或薄膜（NCF）

將芯片放置在基板上

施加熱量和高壓力同時(shí)形成互連并固化底填充
[/ol]
圖6和7說明了這些過程：

圖6


圖7
0 Q3 p2 \1 x: Q. p$ Y: n' @# ]
4 d: D$ h+ }! g
- d# s1 I, a, g6 C" y$ C用于可靠性的底填充
" W4 N+ w6 Q: T0 y& B9 H) k0 p底填充對(duì)翻轉(zhuǎn)芯片組件的可靠性非常重要，特別是在有機(jī)基板上。它有助于分散應(yīng)力并保護(hù)焊點(diǎn)免受熱疲勞和機(jī)械疲勞。
0 C0 S* o+ \9 W0 I' `: l: @$ ^3 r' O
圖8顯示了底填充分配過程：
2 N- W9 r4 [3 }  a! j
圖8

先進(jìn)的翻轉(zhuǎn)芯片組裝：C2凸塊的LPC TCB
) R. k( d8 [- T* U& D翻轉(zhuǎn)芯片組裝的最新進(jìn)展是液相接觸（LPC）TCB工藝。這種方法提供更高的產(chǎn)量和更好的焊點(diǎn)高度控制。

6 V1 i+ S" A0 q5 _. o0 V  Z% f2 RLPC TCB的主要特點(diǎn)：

焊料在接觸基板之前熔化

更短的鍵合周期時(shí)間（

精確控制焊點(diǎn)厚度
  b) O$ D9 [0 ?  U8 ]- ]% g
) D; K; f/ ]4 \5 O2 M" C/ o& m" y圖9說明了LPC TCB過程：
: i' M9 A$ B2 c& M
4 W" ]' A5 }3 K& z, x6 G圖9

LPC TCB的優(yōu)勢(shì)：
! s. T0 r4 ?8 E' r* O  R

更高的產(chǎn)量（每小時(shí)可達(dá)1，200單位）

優(yōu)秀的焊料潤濕性

精確控制支撐高度

圖10顯示了使用LPC TCB的芯片上基板（CoS）組件的橫截面：
: |6 W) J$ }: ?) I, w: P
, j. ?/ o: ]- a圖10
  c7 f$ \+ }0 @- d0 C3 q' n
焊點(diǎn)質(zhì)量和可靠性
0 k1 Q+ i: G+ a0 [' T焊點(diǎn)的質(zhì)量和可靠性對(duì)翻轉(zhuǎn)芯片組件非常重要。影響接頭質(zhì)量的因素包括：

金屬間化合物（IMC）的形成

焊點(diǎn)支撐高度

熱循環(huán)性能

圖11比較了不同工藝形成的焊點(diǎn)的界面微觀結(jié)構(gòu)：
' L) {" T% l/ C5 C/ P. U
圖11
+ G4 `) M4 F6 e) y6 I( t/ ]
未來趨勢(shì)和建議
隨著半導(dǎo)體行業(yè)的不斷發(fā)展，翻轉(zhuǎn)芯片技術(shù)正在演變以應(yīng)對(duì)新的挑戰(zhàn)：
4 y6 W, m2 R5 C. S( w' {9 P

增加引腳數(shù)（高達(dá)10，000個(gè)）

減小焊盤間距（低至30μm）

更薄的芯片和基板

圖12總結(jié)了不同翻轉(zhuǎn)芯片組裝方法的當(dāng)前能力：

圖12

2 W5 i! N$ B1 A, [) J3 s1 p. f對(duì)翻轉(zhuǎn)芯片技術(shù)的建議：

對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，在有機(jī)基板上使用C4凸塊的批量回流和CUF仍然是最廣泛使用的方法。

對(duì)于更高的引腳數(shù)和更細(xì)的間距，考慮使用小力TCB和C2凸塊。

對(duì)于最高的引腳數(shù)和最細(xì)的間距，使用大力TCB和帶有NCP/NCF的C2凸塊。

關(guān)注LPC TCB等進(jìn)展，以潛在地提高產(chǎn)量和焊點(diǎn)質(zhì)量。
9 Y. g6 ^' M& a" [! E1 o5 }# x- ?[/ol]
. T+ a' E' u8 G) c2 ?結(jié)論
翻轉(zhuǎn)芯片技術(shù)繼續(xù)成為半導(dǎo)體行業(yè)中的重要封裝方法。通過了解各種凸塊制作工藝、組裝方法和最新進(jìn)展，工程師可以為其特定應(yīng)用需求選擇最合適的技術(shù)。隨著行業(yè)向更高集成度和更小的外形因素發(fā)展，翻轉(zhuǎn)芯片技術(shù)將在實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備中發(fā)揮越來越重要的作用。
% p! r& C; N# }) F% }% ^/ B3 D. Y. s) \
參考文獻(xiàn)
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