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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。" L+ ~! I4 M, T5 o! U. C3 B
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* y9 |' J2 A/ m% Z" x' t& m+ \4 o
$ W, I, F! V7 ?% e* D9 B
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。) D7 `- S6 f. _3 t1 @2 n0 y- q: A9 I
! q8 M6 r: w/ G
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5 d$ E, H" W6 N0 d, w
[/ol]2 i. ~* g- A. n& j8 a( k+ _
圖1說明了準備進行模板印刷的晶圓:
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) {5 c6 z) N+ k' M
圖1; P6 T0 w) ]' H# o
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* s3 ~- Y. j/ s9 M/ _+ j, K
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1 d6 {7 S0 M! J- T
[/ol]/ n( i8 a$ ^4 z- x( X
圖2說明了C4晶圓凸塊制作過程:# T& d" P1 ]* \3 u+ O
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- 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。( ? A" I6 O* I* ]7 g
( o: ~$ f) N3 E" E' I% ~
圖3顯示了C2晶圓凸塊制作過程:
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3 R1 u+ G5 A! u* `, T圖3& b) T; B! l* e) Z8 D
4 ]7 _3 Y N* W. m, ^
" N F$ X+ o5 Q; s3 O' C: Z翻轉芯片組裝方法' f* L+ A( Y' P$ f# t) K, o2 ~& }
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。' I) Q( y4 ?. |: a
3 w! \, \: a# H- }
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): T/ s+ y& A( j7 [
[/ol]& ?' c0 W# J8 N1 a
圖4說明了這個過程:/ I0 ?# p6 R8 E0 b% g L
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) q8 [$ e! t0 a- w* C/ r
圖4( C, ^; Q8 ^! P6 ~8 G
- [, H( m2 Z) p7 _, R低力熱壓鍵合(TCB)(CUF)# z/ S3 T: O M7 Q O( S' ]
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:7 g! R* d7 M( m3 |) ^
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. F1 ^; v; v0 q. a" m" y圖5' A |1 ^) z$ M, j. ~2 B8 e
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高力TCB(NCP/NCF) N( q# ]: g7 r& w% O0 o
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3 X7 J& U: [9 s$ ^$ K
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圖6和7說明了這些過程:
0 Q! g, x/ C5 u0 o+ A9 y
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4 B5 X* c' T/ R2 ~圖6
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P3 o+ B! j% p. I0 l
圖7- ^" U; i" R! ]& |2 A
7 g( U' l% G$ n- A5 M' s
- l4 P3 A( f" _) H" p7 M0 Q
用于可靠性的底填充2 i5 k/ P. ]4 G- J, ]
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。; } C0 C# y. I7 |: W1 w0 A
) I7 _! _: }: O0 R9 M
圖8顯示了底填充分配過程:$ A( A( q% U$ P( T/ J
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, a0 f* s! p- C" U圖8" W- i# D8 k" y9 x0 @
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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。. m) g* Z" v. J0 C
; k. H6 x+ e- J5 ILPC TCB的主要特點:- ^+ k, {6 ~. ~( w% S* ~
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
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0 V$ m; t" ?; D$ H! S
圖9
) [ L. N# S- c( L+ B+ f4 Q8 ]
; C0 U5 r' Z* H a: }4 KLPC TCB的優(yōu)勢:7 J; I7 n/ o1 D" m+ O
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0 n G' `( j# P# l! B ^" Z
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
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. C7 t+ v! E: I9 ]& Z
圖10: a! i; \5 T3 f" H
+ 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:" e* f5 S+ x+ A j1 U( P+ a
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- C( I. c5 D/ J3 _5 y( ^; d+ N, R圖113 v: _3 v( ^2 y+ F2 c' p
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):4 J1 S1 T# S8 Z% E" g
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$ |7 x+ E" v _+ i7 Y0 _$ P5 u
: Y& u4 A% V2 y; v8 {3 ?! Q. C$ E: N
圖12總結了不同翻轉芯片組裝方法的當前能力:% r9 p* z. t6 S
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) 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]; }4 ~- O& f# a6 Z
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。, L. D+ i4 m" R1 u
, 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.# I* t" X. D/ _# a. E2 [
3 Q9 E0 S) _& m3 i) D8 W
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9 R) o8 x3 ?" J$ ]深圳逍遙科技有限公司(Latitude Design Automation Inc.)是一家專注于半導體芯片設計自動化(EDA)的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設計和仿真軟件,提供成熟的設計解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio,分別針對光電芯片、微機電系統(tǒng)、超透鏡的設計與仿真。我們提供特色工藝的半導體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務,廣泛服務于光通訊、光計算、光量子通信和微納光子器件領域的頭部客戶。逍遙科技與國內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作,推動特色工藝半導體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展,致力于為客戶提供前沿技術與服務。
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