先進封裝中的翻轉芯片技術概述

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引言
! X8 f/ k7 F( k+ A1 U! m4 C8 M+ {翻轉芯片技術已成為半導體行業(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。本文概述翻轉芯片技術，包括晶圓凸塊制作工藝、組裝方法和進展。

4 e1 X$ i/ G0 M( H! e
) U& _" G: I0 _翻轉芯片技術簡介
& X/ r6 e7 \6 Q- g* J& g翻轉芯片技術由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：
9 g+ j0 ?# Q3 D3 o, `

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

晶圓凸塊制作工藝
- c4 J% N! m0 S晶圓凸塊制作是翻轉芯片技術中的關鍵步驟。兩種常見的方法是模板印刷和電鍍。

模板印刷
1 c8 N' R. O2 X& h& `" s0 d2 Q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說明了準備進行模板印刷的晶圓：
: G6 t/ \8 I/ B/ j
圖1

8 p3 r7 k) p1 D: F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。
( n+ a# e9 y' {& @+ R" b2 H
6 K, B8 [. |6 M1 K3 W' I. k* JC4（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：

- f2 c; U6 k# q! e  z圖2
/ P0 [% K. C( [; w7 S
, G7 ~7 y" }) d5 w( ]2 L- rC2（芯片連接）晶圓凸塊制作
8 w6 c* @  E3 ]; ]4 W  B* 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。

圖3顯示了C2晶圓凸塊制作過程：
  [; A* b- L- ]2 W
3 R1 u+ G5 A! u* `, T圖3


" N  F$ X+ o5 Q; s3 O' C: Z翻轉芯片組裝方法
有幾種方法可以將翻轉芯片組裝到基板上。選擇取決于凸塊類型、間距和可靠性要求等因素。

C4或C2凸塊的批量回流（CUF）
' v8 V3 F8 f9 q+ |1 ]( K* H' h這是最常見的翻轉芯片組裝方法，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]
圖4說明了這個過程：

圖4

- [, H( m2 Z) p7 _, R低力熱壓鍵合（TCB）（CUF）
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 T3 h, b8 |7 E" p  S2 B[/ol]
& ]. T  F$ k! Q* t圖5顯示了這個過程：

. F1 ^; v; v0 q. a" m" y圖5

高力TCB（NCP/NCF）
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]
圖6和7說明了這些過程：
0 Q! g, x/ C5 u0 o+ A9 y
4 B5 X* c' T/ R2 ~圖6
4 o9 B# L, Y4 o2 F! V

圖7


用于可靠性的底填充
底填充對翻轉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：

, a0 f* s! p- C" U圖8

先進的翻轉芯片組裝：C2凸塊的LPC TCB
5 \  b3 A4 o6 ]: H* U: _翻轉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。

; k. H6 x+ e- J5 ILPC TCB的主要特點：

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
$ a7 Q- w. p: H$ m) r
( U+ O  i, f. }* o5 ]5 w圖9說明了LPC TCB過程：
2 Q0 `  @; E" _. x0 o
圖9
) [  L. N# S- c( L+ B+ f4 Q8 ]
; C0 U5 r' Z* H  a: }4 KLPC TCB的優(yōu)勢：

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

5 i, [8 j/ N; [. O/ n( U2 Y圖10顯示了使用LPC TCB的芯片上基板（CoS）組件的橫截面：
1 l) X9 s4 I* I& G2 v% D5 K1 W
圖10

+ J, B0 b7 C* Z1 L- p$ w" [( d焊點質量和可靠性
1 n+ g( q  p4 {6 u焊點的質量和可靠性對翻轉芯片組件非常重要。影響接頭質量的因素包括：
: b, W) e3 j( q  U

金屬間化合物（IMC）的形成

焊點支撐高度

熱循環(huán)性能
/ a) T% l( s9 r
; l1 ~. T5 Z1 p! E9 L5 o. f4 H圖11比較了不同工藝形成的焊點的界面微觀結構：

- C( I. c5 D/ J3 _5 y( ^; d+ N, R圖11

8 P" O# f6 m4 r. p& N未來趨勢和建議
% _4 Q: A. y5 ^0 J- g" Z5 }0 A隨著半導體行業(yè)的不斷發(fā)展，翻轉芯片技術正在演變以應對新的挑戰(zhàn)：

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

圖12總結了不同翻轉芯片組裝方法的當前能力：

) k8 P# o" ]8 H$ [. H# M圖12
* z' z5 m9 k1 F, a0 a; Z0 `* l4 q
/ L1 s0 n0 k3 I) N# N5 S; W對翻轉芯片技術的建議：

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。

關注LPC TCB等進展，以潛在地提高產(chǎn)量和焊點質量。
/ a. }' x" z' u[/ol]
結論
: i0 d3 v& @, R$ p  `% Q翻轉芯片技術繼續(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。隨著行業(yè)向更高集成度和更小的外形因素發(fā)展，翻轉芯片技術將在實現(xiàn)電子設備中發(fā)揮越來越重要的作用。

, y4 y2 c5 P/ ~. f& p- ?參考文獻
3 g: h" U8 H- k" a5 G: I[1] J. H. Lau, "System-in-Package (SiP)," in Semiconductor Advanced Packaging. Singapore: Springer Nature Singapore Pte Ltd., 2021, ch. 2, pp. 27-65.

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