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
& @* ?2 i' V- M/ q  V+ F" u" e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。
7 b: ?" I+ |. n  T& V  f

9 W7 W3 J, L9 ^* c/ ^翻轉(zhuǎn)芯片技術(shù)簡(jiǎn)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(guò)導(dǎo)電凸塊連接到基板上。與傳統(tǒng)的引線(xiàn)鍵合相比，這種方法具有以下優(yōu)勢(shì)：

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
; X6 r: k/ [; h( m) ]
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(jiàn)的方法是模板印刷和電鍍。

模板印刷
模板印刷是一種簡(jiǎn)單且具有成本效益的晶圓凸塊制作方法。過(guò)程包括：

通過(guò)模板將錫膏涂到晶圓焊盤(pán)上

回流錫膏形成凸塊
* ]. f) E* _  T: e[/ol]
圖1說(shuō)明了準(zhǔn)備進(jìn)行模板印刷的晶圓：
1 P: V7 X$ ~* c5 l/ \7 [3 k
圖1
' ~. n/ _$ `; e- J/ ^5 |" \
' V0 u, r) W2 k: f, y/ i7 S5 p該圖顯示了一個(gè)8英寸晶圓，每個(gè)芯片有48個(gè)焊盤(pán)，焊盤(pán)間距為0.75毫米。使用的模板具有不同的開(kāi)口尺寸和形狀，以?xún)?yōu)化凸塊形成。
7 N" Q) X, P& S  j
% P; L$ j3 `0 P& H; ?C4（受控塌陷芯片連接）晶圓凸塊制作
3 i) Z+ ?" ]- I& |  sC4凸塊制作通常通過(guò)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
. E  P3 H5 P. n9 b7 K. B+ h[/ol]
圖2說(shuō)明了C4晶圓凸塊制作過(guò)程：
* {' x; Y6 @! i% e1 F! y# d( Y
圖2

C2（芯片連接）晶圓凸塊制作
' K0 ^. I; L# U% ~% `" R+ bC2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(guò)程與C4凸塊制作類(lèi)似，主要區(qū)別在于在焊料帽之前電鍍銅柱。
: i6 E$ D) m4 y
圖3顯示了C2晶圓凸塊制作過(guò)程：

圖3
5 [' V- Q5 ]! K
' D- s* V6 i5 X/ U4 R7 n& l4 A
! j' L. v- j8 ~4 Z8 O- Q. K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(lèi)型、間距和可靠性要求等因素。
' x5 k- D7 \4 Q: \$ K, [) w& C
; o+ {8 p4 L- J- GC4或C2凸塊的批量回流（CUF）
這是最常見(jiàn)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]
* h* @$ q. g# W$ U2 ^; I圖4說(shuō)明了這個(gè)過(guò)程：
/ p. u* y6 ~5 U! c
: r+ L8 C; r, Z+ k圖4

低力熱壓鍵合（TCB）（CUF）
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]
8 C: d% _. E$ F, U! D/ [圖5顯示了這個(gè)過(guò)程：
2 P) S& U6 d- S( ]$ [# w9 Q9 {
圖5

高力TCB（NCP/NCF）
) ?' \2 N- w2 w% R& l0 Y8 m& p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]
- ^* k: W: L; r7 N圖6和7說(shuō)明了這些過(guò)程：

" v! u/ L9 R* d. J% U7 P圖6
* {2 T' w- t- G& l2 t. S$ X' \

5 i2 q+ C" `: W4 Y* ?, D9 e圖7
% }: c1 P! P2 h( B3 [

7 f: E4 T: B8 T- D7 C' @8 n4 B+ u' {用于可靠性的底填充
; b: c" o: y, Z: H; F6 |+ k- h$ c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。

圖8顯示了底填充分配過(guò)程：

圖8
, c6 W9 @7 d+ ]1 s7 @* h3 V# o, p6 U
3 v: t$ Q) m4 _先進(jìn)的翻轉(zhuǎn)芯片組裝：C2凸塊的LPC TCB
- C' @/ T* y  Y  `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。

LPC 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
' W7 t) ^# r# F6 N* t
! y+ f$ M6 _! I$ b! b  h) N+ B圖9說(shuō)明了LPC TCB過(guò)程：
1 S# e* U" b$ p% v8 M: _0 f: M0 z
" I% m5 ^, g# z9 n3 [圖9
4 w) ], I+ O, @. a
7 h; ^3 d+ m5 RLPC TCB的優(yōu)勢(shì)：

更高的產(chǎn)量（每小時(shí)可達(dá)1，200單位）

優(yōu)秀的焊料潤(rùn)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：
$ m% @# L* L# J, o8 [+ L3 y! g
' U: _/ v% \* Z1 m8 y0 V6 U圖10
5 c$ O! h( K: \; W. l
焊點(diǎn)質(zhì)量和可靠性
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
- z3 T  c7 A( ~. h2 x
圖11比較了不同工藝形成的焊點(diǎn)的界面微觀結(jié)構(gòu)：
+ t% a9 E- f. e. J2 v7 h% u7 a
$ C9 \7 D9 A9 K- U3 w0 j5 L圖11

未來(lái)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)：

增加引腳數(shù)（高達(dá)10，000個(gè)）

減小焊盤(pán)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：

& x/ U2 o$ u: l' ^1 u# }! q/ o, a1 u圖12
" y% L6 H9 j" d  o, [9 k: T0 K9 f/ s
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。
, J3 R# ^& x: s# q; @6 ?2 i[/ol]
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(guò)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(lái)越重要的作用。

1 ~+ y1 ^4 j4 p; u3 N# m參考文獻(xiàn)
2 t5 n; S' @( M, J3 L+ O! l[1] J. H. Lau, "System-in-Package (SiP)," in Semiconductor Advanced Packaging. Singapore: Springer Nature Singapore Pte Ltd., 2021, ch. 2, pp. 27-65.

& U- g( K; b( S- END -

! p8 \5 h& @/ P4 S& ^! ~0 v' n軟件申請(qǐng)我們歡迎化合物/硅基光電子芯片的研究人員和工程師申請(qǐng)?bào)w驗(yàn)免費(fèi)版PIC Studio軟件。無(wú)論是研究還是商業(yè)應(yīng)用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
0 d$ E6 y' X# I; N: Z# g6 h點(diǎn)擊左下角"閱讀原文"馬上申請(qǐng)
9 P! T# ~6 `* y+ J" F; S
歡迎轉(zhuǎn)載
3 v" P* k9 B( Q+ g1 |' n& ~# J) A
$ Q0 @  i3 E4 H& o轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處，請(qǐng)勿修改內(nèi)容和刪除作者信息！
+ |3 H7 i! N; X: [( v) x5 q
% G" q6 [; R5 i) y( O: ?



" ~2 ]1 N) r2 k" V/ k( U關(guān)注我們
7 s3 |. ]  d7 ]' q- s$ n
. z3 f6 ^' P+ l+ N7 N

4 N. }5 f9 R8 Z- k) H 1 U3 m6 ^" u9 |

6 A8 R9 s, ?/ x( W5 F: }5 n 6 n' h7 T$ O# t5 J3 v/ n# [

- f1 D! X: ]' r3 K. ?# L4 ] ! K9 t- M" y/ S8 w3 b& O) ?0 M

                     

6 k! |  f1 J" ^9 p4 x5 Y

+ K0 N9 V" W! r) v關(guān)于我們：
3 i4 e6 T+ u: Y1 ^% v' k. l) K深圳逍遙科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家專(zhuān)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(kāi)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(hù)。逍遙科技與國(guó)內(nèi)外晶圓代工廠(chǎng)及硅光/MEMS中試線(xiàn)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(hù)提供前沿技術(shù)與服務(wù)。
/ t- t, n4 l1 G6 W! w" o
http://www.latitudeda.com/
# @3 ?+ i* U5 p# h: R$ S（點(diǎn)擊上方名片關(guān)注我們，發(fā)現(xiàn)更多精彩內(nèi)容）