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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。% z; ]8 L: T; t% p
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翻轉(zhuǎn)芯片技術(shù)簡介8 T: R2 S: w- e6 u
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9 F! J( z$ V1 E; k" v0 [" c
" J8 y' R7 F) q' M9 @- d晶圓凸塊制作工藝 |: a) _! x: I
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。 V5 a& r" d, j# j0 T
- A5 Y1 P9 N" V7 L2 a; Y5 C9 I+ H2 F
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( E/ }' R. h0 n/ L
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圖1說明了準(zhǔn)備進(jìn)行模板印刷的晶圓:
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0 P" _" x/ Y4 k, E圖1
+ q. U9 |; @# c) f0 ?3 f4 p D# c/ ]" Z! o4 o Q: h! Q# \7 T4 r
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。; `# W$ ^. t& p3 i/ U
! S9 G6 D5 g6 I& ^ o1 e# F$ _/ k, RC4(受控塌陷芯片連接)晶圓凸塊制作- `* \) v1 S" r
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! M F# k$ `4 ]' P
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圖2說明了C4晶圓凸塊制作過程:% d* l5 Y# D( O6 f4 Z4 N, B `
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; F4 j4 w9 }' x+ B1 g/ I+ e8 q圖2
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6 y* G+ z% [2 V# ]: W+ e7 v4 {" cC2(芯片連接)晶圓凸塊制作# d& i& l, R. y A+ ]
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
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' d- l7 C5 T# @
圖31 t/ k3 B+ l7 M0 }% G- N. s7 F
0 D3 C( ~( t# B2 x3 x! ]; l0 h1 r& W* \ d
翻轉(zhuǎn)芯片組裝方法6 t% T* P ^ ]! o
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)# [) V6 a# e+ O1 {) n. S. s; X0 `
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)& v0 a# B' ~, ?9 e
[/ol]
9 d" [# k9 |9 D. C5 B! o$ o! H圖4說明了這個(gè)過程:
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8 C# \6 ?$ C. n3 ~
圖4) p7 i; R B3 E7 T7 ]7 Y3 I
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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; P) r0 b) M; O- u8 ]" s
[/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
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. t1 v# X8 T4 K) j圖53 p& K4 ~" ?, r& ~
/ H5 V* ?0 i' F* @+ \! J高力TCB(NCP/NCF)* B6 K3 G$ a) L5 h7 W( J. _& |, v$ B
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2 t8 n0 ^! q3 u& g* M
[/ol]2 l* O6 f3 O7 m' u3 B
圖6和7說明了這些過程:: I+ p: R; L! a+ }2 ^- \) d
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圖6; H. p. b2 N/ M
$ B) x0 h0 i) P l! X, }( k
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8 G6 Q% U% _/ I: P
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: f- G! C: ?1 B, V" \2 `4 Q
圖8顯示了底填充分配過程:
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圖8" c7 {$ G0 f5 J! h& j
& j+ @7 B8 g" M$ y( q
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。! M5 d. L" l8 T6 r+ f
6 V1 i+ S" A0 q5 _. o0 V Z% f2 RLPC TCB的主要特點(diǎn):. n, {' _6 ^$ O7 _
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
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4 W" ]' A5 }3 K& z, x6 G圖9& p4 Z" C- K- S1 k$ R8 L
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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9 h, H, ^' o8 s. }+ f
1 Z6 y1 a6 w& s; I
圖10顯示了使用LPC TCB的芯片上基板(CoS)組件的橫截面:
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, j. ?/ o: ]- a圖10
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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:( A0 D; Q: l2 N4 Y/ _
金屬間化合物(IMC)的形成焊點(diǎn)支撐高度熱循環(huán)性能, C. w7 U% ?" D; |$ o
+ `8 g" k) f9 I3 R9 Q
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
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. U3 ?& I' @6 S, e9 o" {) U
圖11
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未來趨勢(shì)和建議% [+ ^+ W0 ]/ o! _4 W" S9 Z3 y
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! u: v, h/ n$ {6 m- E v
7 Z6 u. J4 ^2 Z& E+ t# W2 B+ b
圖12總結(jié)了不同翻轉(zhuǎn)芯片組裝方法的當(dāng)前能力:2 C. j) x& A8 D2 w3 E
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圖120 B5 m3 Z' ?9 F- N6 |) L. K
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* ` x4 [" V' W" \" G, S- n
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。
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參考文獻(xiàn)% ]1 t: A) B" W% {- ^% Z3 \
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深圳逍遙科技有限公司(Latitude Design Automation Inc.)是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計(jì)和仿真軟件,提供成熟的設(shè)計(jì)解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio,分別針對(duì)光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計(jì)與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù),廣泛服務(wù)于光通訊、光計(jì)算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作,推動(dòng)特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展,致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。
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