Flip Chip技術(shù)概述

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引言
% D% d* m0 u3 L( `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。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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" u- @! x9 b" G; F& ]; I翻轉(zhuǎn)芯片簡介
7 {" o; v. Q  l. e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芯片上。圖1展示了典型翻轉(zhuǎn)芯片組裝的關(guān)鍵元素。


. z; G4 M7 D8 l* a- C2 a* Q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、存儲器和其他應(yīng)用中廣泛使用。

7 A! g3 m' m' }" b晶圓凸塊
1 L! z5 s4 v. O) n晶圓凸塊是翻轉(zhuǎn)芯片技術(shù)中的關(guān)鍵步驟。兩種常見方法是：
1. 模板印刷
: o' a% n. L8 O) z& s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）。該過程包括：
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設(shè)計與焊盤布局匹配的模板孔

通過模板將錫膏印刷到晶圓焊盤上

回流焊錫形成凸塊

, U! ]( a# B% w. P, {$ E圖2展示了一項研究中使用的模板設(shè)計。
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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。
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2. 電鍍
電鍍允許更精細(xì)間距的凸塊。該過程通常包括：

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

圖3說明了C4（受控塌陷芯片連接）凸塊的電鍍過程。


圖3：使用電鍍的C4凸塊晶圓凸塊工藝流程。
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C4與C2凸塊對比
& n7 D' k8 R. c" Z' D兩種常見的凸塊類型是：
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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

. `; o' R; P0 @# D& R圖4比較了C4和C2凸塊。

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/ L" }. b9 `1 M6 [/ G7 ]/ y圖4：C4焊料凸塊和C2銅柱凸塊的比較。

4 |7 G+ M% l2 }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，這得益于銅柱。
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翻轉(zhuǎn)芯片封裝基板
翻轉(zhuǎn)芯片封裝使用各種基板技術(shù)：
- r1 |, |3 P, ?) U& Z3 j: i1. 有機積層基板
* C# d& Q' C' V' e- a: W多層有機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)。


: C0 y" l- p3 w5 v圖5：IBM的表面層壓線路（SLC）技術(shù)用于翻轉(zhuǎn)芯片有機積層基板。

. b0 }- z5 y- a% h' w2. 無芯基板
& ~' z4 e& _' s( R& l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)和無芯基板。

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圖6：帶芯的傳統(tǒng)積層基板（上）和無芯基板（下）的比較。
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3. 凸塊直接連接導(dǎo)線（BOL）
, W9 E/ ]# u! D' c  U/ BBOL通過將凸塊直接連接到基板導(dǎo)線來改善布線密度。圖7說明了BOL概念。
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圖7：凸塊直接連接導(dǎo)線（BOL）基板設(shè)計：(a) 傳統(tǒng)凸塊連接焊盤，(b) BOL概念，(c) 改進(jìn)的BOL結(jié)構(gòu)。

4. 嵌入式走線基板（ETS）
ETS將細(xì)線走線嵌入基板，實現(xiàn)更高的布線密度。圖8展示了ETS概念和工藝流程。


7 T! J. R3 t2 a, @8 L3 A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)。

( {. M3 a. z# n8 g) X5. 積層基板上的薄膜層
在積層基板上添加薄膜重布線層可實現(xiàn)超細(xì)間距布線。圖9展示了新光的i-THOP基板技術(shù)。
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& C$ H( L9 u# o) |- s" H/ e0 |
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試載體。
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/ |: N6 E8 F% O0 t- h6. 扇出重布線層基板
) s6 W, z0 c1 a扇出晶圓級封裝（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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8 }8 v* ]' h; m: D9 t% k+ ~圖10：(a) 扇出晶圓級封裝結(jié)構(gòu)，(b) 重布線層橫截面，(c) 重布線層俯視圖。

6 @8 N2 j' |% t3 I  r7. 硅通孔（TSV）中介層
硅通孔中介層可為2.5D集成實現(xiàn)高密度互連。圖11展示了被動TSV中介層的例子。
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4 X# o; [  d) ?" Y, `: O8 b圖11：使用被動TSV中介層的2.5D IC集成。
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" c9 z9 |3 T/ w+ t8. 硅橋
嵌入式硅橋為芯片間連接提供了全TSV中介層的替代方案。圖12展示了英特爾的EMIB技術(shù)。

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: h( u6 y, U& L5 k, f圖12：英特爾的嵌入式多芯片互連橋（EMIB）概念。
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' O2 [( K# y" O( _, ~翻轉(zhuǎn)芯片組裝
3 J9 m" O5 `+ A4 x$ a主要的翻轉(zhuǎn)芯片組裝方法包括：
8 o4 S: y( K* u( W) z& w2 A1 g1. 批量回流
1 U7 k0 \/ L8 a8 f使用助焊劑和回流的C4凸塊傳統(tǒng)方法。圖13a說明了該過程。
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2. 熱壓焊（TCB）
TCB同時施加力和熱�？捎糜冢�

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）

  _* s. r) K4 w
3. 混合鍵合
室溫下直接Cu-Cu鍵合，實現(xiàn)超細(xì)間距（圖13e）。
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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。
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底填
4 r, ^' J1 |" Z/ ~8 z底填對翻轉(zhuǎn)芯片可靠性很重要，特別是在有機基板上。兩種主要的底填方法是：
1.組裝后底填

毛細(xì)底填（CUF）：組裝后分配，通過毛細(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。
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2.組裝前底填
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無流動底填（NUF）：在芯片放置和回流前涂抹。

非導(dǎo)電漿料（NCP）：用于TCB，在鍵合過程中固化。

非導(dǎo)電膜（NCF）：薄膜覆蓋在晶圓或基板上，用于TCB。
* c' N3 k2 e+ n2 Z( _& G
9 T& s; W* ]/ G! m( R: L圖14說明了模塑底填概念。
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0 N$ K& A. o! t  B圖14：模塑底填（MUF）過程和挑戰(zhàn)。
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底填表征
正確選擇和表征底填材料非常重要。需要評估的關(guān)鍵性能包括：
5 C6 a8 n0 F% r( r1. 固化條件：使用差示掃描量熱法（DSC）確定。
2. 熱膨脹系數(shù)（CTE）：使用熱機械分析（TMA）測量。
3. 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）：從TMA或動態(tài)機械分析（DMA）獲得。
4. 儲能模量：使用DMA測量。
5. 吸濕率：使用熱重分析（TGA）確定。
6. 流動率：在實際翻轉(zhuǎn)芯片組裝中評估。
7. 粘合強度：通過芯片剪切測試評估。
2 D+ d4 C% E) n$ [* n0 r6 }6 t; {
4 L! r3 M* N! ?1 k圖15展示了底填材料的典型DMA結(jié)果，包括儲能模量和正切δ。

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圖15：底填材料的典型儲能模量和正切δ曲線。

! v  W: {4 T5 h# }# Z& p, |底填模板印刷
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：每個芯片使用一個小矩形開口，干膜具有更大的開口。

印刷過程：通過模板將底填印刷到每個芯片的一個邊緣。

毛細(xì)流動：印刷后，加熱組件使底填流入芯片下方。
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, Z8 m2 L5 V5 d* z9 x( X4 H) S6 ]圖16說明了底填應(yīng)用的模板印刷概念。
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+ A, ?" c( Y4 y0 T' T# S圖16：底填模板印刷過程：(a) 印刷前，(b) 印刷中，(c) 印刷后，(d) 毛細(xì)流動后。

實驗結(jié)果表明，這種方法可以實現(xiàn)無空隙底填，并具有良好的粘合強度。圖17展示了模板印刷底填組件的橫截面。

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5 c, I# C& s: C4 K" j圖17：有機基板上翻轉(zhuǎn)芯片模板印刷底填的橫截面。

結(jié)論
  y4 y) r1 O) d3 I9 I' t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方面對成功實施非常重要。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)新將推動翻轉(zhuǎn)芯片封裝的未來發(fā)展。
" U7 ~3 d" U) N6 p, c4 I
1 b4 p. p" n& W/ w1 b* [- M
2 x1 O  w9 O2 M, b9 w3 C. s7 }( e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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