先進封裝中的翻轉(zhuǎn)芯片技術(shù)概述

逍遙設(shè)計自動化

引言
- O' d% O) A7 e5 ^& G翻轉(zhuǎn)芯片技術(shù)已成為半導體行業(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。本文概述翻轉(zhuǎn)芯片技術(shù)，包括晶圓凸塊制作工藝、組裝方法和進展。
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0 p8 K+ o1 B" t: k& ]翻轉(zhuǎn)芯片技術(shù)簡介
: J6 x/ ], C* J# y' Y翻轉(zhuǎn)芯片技術(shù)由IBM在20世紀60年代初引入，涉及將芯片的有源表面直接通過導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：
2 X# q3 r8 h" O/ v+ f. ^

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
% u. F! t% ~% y* s* O
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。
  J$ \5 v& {5 D/ R
1 s6 }' S# t* v8 a9 Y2 D/ a模板印刷
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
7 ~0 h9 w+ Q/ Z* k6 v[/ol]
5 y9 R# K& ?3 P$ X& m圖1說明了準備進行模板印刷的晶圓：
' s0 p4 b" S9 S2 j/ a
2 b% H& r0 ?+ B+ P: ~4 k1 l圖1

; m$ F; U, ^5 j2 F3 j$ |0 r該圖顯示了一個8英寸晶圓，每個芯片有48個焊盤，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。
5 [7 f. {0 E- j$ W1 l
8 m3 b7 r7 u! e& `6 U6 v. W/ vC4（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：

圖2
$ p$ Z( e+ }! @; T
( H9 K8 G* }  PC2（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。

- U, D& T* T! a+ K& d8 \圖3顯示了C2晶圓凸塊制作過程：
6 y6 I3 a! k# T* X! w
9 @' B2 F( _3 I, A圖3


& @5 {: C6 @% w5 H5 b8 P4 q% F% x. ^翻轉(zhuǎn)芯片組裝方法
* C9 m1 b" h8 Y& y/ S- \( h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。
4 f0 S: r" G: f/ D
0 {" x) a! k0 w3 E( CC4或C2凸塊的批量回流（CUF）
' |$ w/ U% Q9 J/ u! m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

為提高可靠性而施加毛細管底填充（CUF）
[/ol]
7 {- r" _( P$ Q) s圖4說明了這個過程：

圖4
2 G8 G; i2 `$ U6 z' s2 T* `' k
低力熱壓鍵合（TCB）（CUF）
3 B7 K7 i. r/ L3 ?' k對于更高的引腳數(shù)和更細的間距，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

施加毛細管底填充
2 S2 F8 \$ R/ a4 G5 H. A" p[/ol]
1 w/ c/ K1 }0 W1 K圖5顯示了這個過程：
( b1 I0 K! d  U8 k
圖5

高力TCB（NCP/NCF）
) T" |7 L/ c7 L% l" s: A對于更細的間距和更薄的封裝，使用高力TCB和預先涂布的底填充：

在基板或芯片上涂布非導電糊料（NCP）或薄膜（NCF）

將芯片放置在基板上

施加熱量和高壓力同時形成互連并固化底填充
[/ol]
1 @+ b2 f4 I' _+ |- F圖6和7說明了這些過程：
8 F: _1 l( T' o2 M
7 P3 q& I* F# H/ J2 Q2 ?圖6


: W6 c8 m" j3 ]5 S9 L圖7
/ C0 C# a5 G0 G
; `$ s/ o% ]% c
用于可靠性的底填充
9 X6 Y& k* t  l/ h  L2 G9 Q" ~底填充對翻轉(zhuǎn)芯片組件的可靠性非常重要，特別是在有機基板上。它有助于分散應力并保護焊點免受熱疲勞和機械疲勞。

圖8顯示了底填充分配過程：

; G5 D4 {1 T. I4 f+ |; I圖8

# l. l* |. u; E先進的翻轉(zhuǎn)芯片組裝：C2凸塊的LPC TCB
* |# o* ]0 [8 `7 j! V3 t( f翻轉(zhuǎn)芯片組裝的最新進展是液相接觸（LPC）TCB工藝。這種方法提供更高的產(chǎn)量和更好的焊點高度控制。
1 F9 ]; L: O" y2 Y2 d( Y. x
LPC TCB的主要特點：
# c; b/ A5 _: _2 g) v- C( i

焊料在接觸基板之前熔化

更短的鍵合周期時間（

精確控制焊點厚度

圖9說明了LPC TCB過程：

圖9
. `0 l0 J3 _- l" N+ \. z
* e: F# X8 y9 sLPC TCB的優(yōu)勢：
4 e) v0 \+ h6 W+ c" [5 v3 h

更高的產(chǎn)量（每小時可達1，200單位）

優(yōu)秀的焊料潤濕性

精確控制支撐高度
# G% J6 F! D! q) @. G
; V" a1 A( C( I: ]) X圖10顯示了使用LPC TCB的芯片上基板（CoS）組件的橫截面：

圖10

焊點質(zhì)量和可靠性
焊點的質(zhì)量和可靠性對翻轉(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

焊點支撐高度

熱循環(huán)性能

圖11比較了不同工藝形成的焊點的界面微觀結(jié)構(gòu)：
1 o) H! `6 c  o" [) h
圖11
4 G# @( {* _0 Z) c# K* R9 p  b
/ b! a4 {. O0 q+ }未來趨勢和建議
隨著半導體行業(yè)的不斷發(fā)展，翻轉(zhuǎn)芯片技術(shù)正在演變以應對新的挑戰(zhàn)：
# @% t: h) L5 l+ a/ E7 I4 B

增加引腳數(shù)（高達10，000個）

減小焊盤間距（低至30μm）

更薄的芯片和基板
3 m; W( y+ m. U# c" \
  E0 u2 [- g# f7 m, J! X7 o圖12總結(jié)了不同翻轉(zhuǎn)芯片組裝方法的當前能力：

' ^% X. s- A/ U) g) {# n( G2 z- S圖12

對翻轉(zhuǎn)芯片技術(shù)的建議：

對于大多數(shù)應用，在有機基板上使用C4凸塊的批量回流和CUF仍然是最廣泛使用的方法。

對于更高的引腳數(shù)和更細的間距，考慮使用小力TCB和C2凸塊。

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

關(guān)注LPC TCB等進展，以潛在地提高產(chǎn)量和焊點質(zhì)量。
[/ol]
. w$ ?. l5 O: i; ?3 V) }$ A結(jié)論
翻轉(zhuǎn)芯片技術(shù)繼續(xù)成為半導體行業(yè)中的重要封裝方法。通過了解各種凸塊制作工藝、組裝方法和最新進展，工程師可以為其特定應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)將在實現(xiàn)電子設(shè)備中發(fā)揮越來越重要的作用。

參考文獻
[1] J. H. Lau, "System-in-Package (SiP)," in Semiconductor Advanced Packaging. Singapore: Springer Nature Singapore Pte Ltd., 2021, ch. 2, pp. 27-65.
1 Q# I9 ~- |$ B4 U4 i
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