Flip Chip技術(shù)概述

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
翻轉(zhuǎn)芯片(Flip Chip)技術(shù)是半導(dǎo)體行業(yè)中重要的封裝方法，具有高性能、小型化和改善電氣特性等優(yōu)勢(shì)。本文概述了翻轉(zhuǎn)芯片技術(shù)，涵蓋了晶圓凸塊、封裝基板、組裝工藝和可靠性考慮等關(guān)鍵方面[1]。
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翻轉(zhuǎn)芯片簡(jiǎn)介
& t$ i& X+ n/ |7 O翻轉(zhuǎn)芯片技術(shù)涉及使用各種互連材料和方法將半導(dǎo)體芯片正面朝下直接連接到基板或另一個(gè)芯片上。圖1展示了典型翻轉(zhuǎn)芯片組裝的關(guān)鍵元素。
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圖1：翻轉(zhuǎn)芯片技術(shù)的關(guān)鍵元素，包括晶圓凸塊、切割、組裝和底填。
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翻轉(zhuǎn)芯片方法最初由IBM在1960年代引入。如今，在需要高I/O密度和性能的處理器、ASIC、存儲(chǔ)器和其他應(yīng)用中廣泛使用。

: d4 N6 I) D) ?4 T- ?晶圓凸塊
$ ]$ y4 T0 r) m4 v晶圓凸塊是翻轉(zhuǎn)芯片技術(shù)中的關(guān)鍵步驟。兩種常見(jiàn)方法是：
* k, J* h1 _. A* Y1 ~! p1. 模板印刷
6 v0 _" f9 X; U+ B1 D) q在晶圓上進(jìn)行錫膏模板印刷是一種成本效益高且產(chǎn)量高的方法，但限于較粗的間距（>120 μm）。該過(guò)程包括：

設(shè)計(jì)與焊盤布局匹配的模板孔

通過(guò)模板將錫膏印刷到晶圓焊盤上

回流焊錫形成凸塊
6 M$ u& T6 [$ E+ o7 P2 [& t, U8 _( p
圖2展示了一項(xiàng)研究中使用的模板設(shè)計(jì)。
! M& `; a+ P5 B7 q+ C
5 @$ l6 j* X" }9 @3 {
圖2：用于晶圓凸塊研究的四種不同孔形/尺寸的模板設(shè)計(jì)。
" K) L9 X0 ^$ N1 {
% ?& x4 ^: U) \1 f3 H2. 電鍍
- m' i0 R( d+ o% B' s% ]5 x, ^電鍍?cè)试S更精細(xì)間距的凸塊。該過(guò)程通常包括：
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濺射底部金屬層（UBM）

光刻膠圖形化

電鍍銅柱和/或焊料

去除光刻膠和蝕刻UBM

回流焊料
8 F9 }% _! A) _( S. F( ?
' u- v/ n! U, k6 U圖3說(shuō)明了C4（受控塌陷芯片連接）凸塊的電鍍過(guò)程。
, Y) }% C# W& {* w0 b5 m/ ^+ ]
9 r& Y& S/ k% }: ^+ X# k
圖3：使用電鍍的C4凸塊晶圓凸塊工藝流程。

7 h3 f; n! m0 m6 k# H( E9 q& BC4與C2凸塊對(duì)比
' e" b1 {% z( B$ z/ V9 p兩種常見(jiàn)的凸塊類型是：
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C4凸塊：焊料凸塊，回流后通常呈球形

C2凸塊：帶焊料帽的銅柱凸塊
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圖4比較了C4和C2凸塊。

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圖4：C4焊料凸塊和C2銅柱凸塊的比較。
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C2凸塊在更精細(xì)的間距和改善電氣/熱性能方面具有優(yōu)勢(shì)，這得益于銅柱。
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8 u: x3 l8 |( w' d/ k. I' X! q* O翻轉(zhuǎn)芯片封裝基板
+ [2 n9 U) q( m翻轉(zhuǎn)芯片封裝使用各種基板技術(shù)：
& K& e( n8 W' k' x7 s1. 有機(jī)積層基板
多層有機(jī)基板帶有積層和微通孔，廣泛使用。圖5展示了典型積層基板結(jié)構(gòu)。


% u; [+ `! T( S) o( \+ [2 g圖5：IBM的表面層壓線路（SLC）技術(shù)用于翻轉(zhuǎn)芯片有機(jī)積層基板。
3 D, [& }1 E& l7 ^( s9 f* o
2. 無(wú)芯基板
& |9 M8 l3 B5 I/ \消除芯可提供更好的電氣性能和減少厚度。圖6比較了傳統(tǒng)和無(wú)芯基板。
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圖6：帶芯的傳統(tǒng)積層基板（上）和無(wú)芯基板（下）的比較。

; }% D) ?* n3 z! e- c  f" Y3. 凸塊直接連接導(dǎo)線（BOL）
) {9 C0 R9 I/ ^/ t/ ^1 A6 X/ y  ^; WBOL通過(guò)將凸塊直接連接到基板導(dǎo)線來(lái)改善布線密度。圖7說(shuō)明了BOL概念。
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圖7：凸塊直接連接導(dǎo)線（BOL）基板設(shè)計(jì)：(a) 傳統(tǒng)凸塊連接焊盤，(b) BOL概念，(c) 改進(jìn)的BOL結(jié)構(gòu)。
8 e( j' @" V- q1 B9 s; p
  l, c" Z2 n- o$ P! \$ |4. 嵌入式走線基板（ETS）
ETS將細(xì)線走線嵌入基板，實(shí)現(xiàn)更高的布線密度。圖8展示了ETS概念和工藝流程。
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圖8：(a) 制造嵌入式走線基板（ETS）的工藝流程，(b) C2凸塊翻轉(zhuǎn)芯片在ETS組裝上的結(jié)構(gòu)。

/ j# T8 t' ~- _( N5. 積層基板上的薄膜層
. _/ v+ B3 G# L; ?5 T0 n" ]  m在積層基板上添加薄膜重布線層可實(shí)現(xiàn)超細(xì)間距布線。圖9展示了新光的i-THOP基板技術(shù)。


圖9：(a) 新光的i-THOP翻轉(zhuǎn)芯片封裝基板，在積層上方有薄膜層，(b) 在1-2-2積層基板上有兩層薄膜層的測(cè)試載體。
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6. 扇出重布線層基板
$ K7 ~$ C$ F$ W. \9 ]5 J扇出晶圓級(jí)封裝（FOWLP）使用帶有嵌入芯片和重布線層的重構(gòu)晶圓。圖10展示了典型的FOWLP結(jié)構(gòu)。

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圖10：(a) 扇出晶圓級(jí)封裝結(jié)構(gòu)，(b) 重布線層橫截面，(c) 重布線層俯視圖。

) s& {* ^; B6 Z) U' }! I' O7. 硅通孔（TSV）中介層
5 S' y7 x8 K% Y$ S; S硅通孔中介層可為2.5D集成實(shí)現(xiàn)高密度互連。圖11展示了被動(dòng)TSV中介層的例子。
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圖11：使用被動(dòng)TSV中介層的2.5D IC集成。
$ w$ h1 D) ^/ a4 e
8. 硅橋
嵌入式硅橋?yàn)樾酒�間連接提供了全TSV中介層的替代方案。圖12展示了英特爾的EMIB技術(shù)。
  o: V6 t# c" d

: v. b- {7 R( v8 z$ i圖12：英特爾的嵌入式多芯片互連橋（EMIB）概念。
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翻轉(zhuǎn)芯片組裝
主要的翻轉(zhuǎn)芯片組裝方法包括：
1. 批量回流
使用助焊劑和回流的C4凸塊傳統(tǒng)方法。圖13a說(shuō)明了該過(guò)程。


, t7 N5 e( _# y' D2. 熱壓焊（TCB）
TCB同時(shí)施加力和熱�？捎糜冢�
4 Q5 k  v! T3 r& y2 e8 n

C4/C2凸塊的低壓力和回流（圖13b）

C2凸塊的高壓力，配合預(yù)涂底填（圖13c,d）
0 _, W* |! X. {' `& S) {) O; d

3. 混合鍵合
室溫下直接Cu-Cu鍵合，實(shí)現(xiàn)超細(xì)間距（圖13e）。
( ~7 \! ~' f1 c. L1 x$ L1 L* I$ |' i: \

/ e' Q7 W2 {0 ~7 @$ d7 u圖13：翻轉(zhuǎn)芯片組裝工藝：(a) 批量回流，(b) 低壓力TCB，(c) 帶NCP的高壓力TCB，(d) 帶NCF的高壓力TCB，(e) 混合鍵合。

" O$ K' d* F% g9 T& g7 G底填
9 x; e( Z1 |/ \0 z2 _$ e底填對(duì)翻轉(zhuǎn)芯片可靠性很重要，特別是在有機(jī)基板上。兩種主要的底填方法是：
! w. R! J/ z+ `: G1 ^1.組裝后底填
4 b. W+ u+ }/ J) s- X% k4 `

毛細(xì)底填（CUF）：組裝后分配，通過(guò)毛細(xì)作用流入芯片下方。

模塑底填（MUF）：使用改性模塑料一步完成底填和封裝。

2.組裝前底填
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無(wú)流動(dòng)底填（NUF）：在芯片放置和回流前涂抹。

非導(dǎo)電漿料（NCP）：用于TCB，在鍵合過(guò)程中固化。

非導(dǎo)電膜（NCF）：薄膜覆蓋在晶圓或基板上，用于TCB。
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圖14說(shuō)明了模塑底填概念。


圖14：模塑底填（MUF）過(guò)程和挑戰(zhàn)。
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底填表征
5 ~# u7 C  E4 F) O! c/ ]正確選擇和表征底填材料非常重要。需要評(píng)估的關(guān)鍵性能包括：
1. 固化條件：使用差示掃描量熱法（DSC）確定。
2. 熱膨脹系數(shù)（CTE）：使用熱機(jī)械分析（TMA）測(cè)量。
3. 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）：從TMA或動(dòng)態(tài)機(jī)械分析（DMA）獲得。
& o- u* L* D1 l) g6 t+ `& h5 D4. 儲(chǔ)能模量：使用DMA測(cè)量。
5. 吸濕率：使用熱重分析（TGA）確定。
5 ?9 f) u9 O1 C6. 流動(dòng)率：在實(shí)際翻轉(zhuǎn)芯片組裝中評(píng)估。
7. 粘合強(qiáng)度：通過(guò)芯片剪切測(cè)試評(píng)估。
3 n  P7 C* I" J2 w3 m& i
! U6 ?" e; F4 J2 K0 x圖15展示了底填材料的典型DMA結(jié)果，包括儲(chǔ)能模量和正切δ。
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圖15：底填材料的典型儲(chǔ)能模量和正切δ曲線。

; A1 I% b+ ]% g; O底填模板印刷
- o# I6 `( c+ A+ B" x9 O  \一種新的高產(chǎn)量底填應(yīng)用方法涉及模板印刷。該方法的關(guān)鍵方面包括：

模板設(shè)計(jì)：每個(gè)芯片使用一個(gè)小矩形開(kāi)口，干膜具有更大的開(kāi)口。

印刷過(guò)程：通過(guò)模板將底填印刷到每個(gè)芯片的一個(gè)邊緣。

毛細(xì)流動(dòng)：印刷后，加熱組件使底填流入芯片下方。
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+ M* r$ A  W. n6 ~% ]( r, x/ F圖16說(shuō)明了底填應(yīng)用的模板印刷概念。
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  h: z/ L+ e6 D# @/ ]圖16：底填模板印刷過(guò)程：(a) 印刷前，(b) 印刷中，(c) 印刷后，(d) 毛細(xì)流動(dòng)后。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種方法可以實(shí)現(xiàn)無(wú)空隙底填，并具有良好的粘合強(qiáng)度。圖17展示了模板印刷底填組件的橫截面。


圖17：有機(jī)基板上翻轉(zhuǎn)芯片模板印刷底填的橫截面。

結(jié)論
翻轉(zhuǎn)芯片技術(shù)不斷發(fā)展，以滿足先進(jìn)封裝應(yīng)用的需求。了解晶圓凸塊、基板技術(shù)、組裝方法和底填工藝的各個(gè)方面對(duì)成功實(shí)施非常重要。隨著間距要求變得更精細(xì)，性能需求增加，材料和工藝的新創(chuàng)新將推動(dòng)翻轉(zhuǎn)芯片封裝的未來(lái)發(fā)展。

; J$ ^$ Y* e! {1 o( h8 G
參考文獻(xiàn)
[1] J. H. Lau, "Flip Chip Technology," in Flip Chip, Hybrid Bonding, Fan-In, and Fan-Out Technology. Singapore: Springer Nature Singapore Pte Ltd., 2024, ch. 1, pp. 1-75.
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