先進(jìn)封裝中的翻轉(zhuǎn)芯片技術(shù)概述

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引言
5 L' ?) l  J# n  {5 m; m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。
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+ j4 `3 B  U7 j6 {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

晶圓凸塊制作工藝
# l! P" r5 G1 L9 q! t6 v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。
) I6 r6 L" K9 @3 X7 J! e
模板印刷
$ p! C+ `5 G* t$ g2 Z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
! Z7 l4 m* N; R6 D, ]! U[/ol]
圖1說(shuō)明了準(zhǔn)備進(jìn)行模板印刷的晶圓：
1 L0 i* {2 @# T: [  j( G- Y
7 l) N- U. ]: N) J8 |! |圖1
, [. p1 Q" P6 @! W% s4 Y4 D
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。

C4（受控塌陷芯片連接）晶圓凸塊制作
C4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
[/ol]
8 x" Y9 m, Y* f  e圖2說(shuō)明了C4晶圓凸塊制作過(guò)程：

圖2
# _  c) o# Y1 H% t$ N7 n! W1 D
8 _$ C" f( q8 N& h3 iC2（芯片連接）晶圓凸塊制作
+ C1 b" j5 v/ U6 C- s7 K/ d2 K% k( ?C2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。

. ]) C/ T+ m2 Z  H圖3顯示了C2晶圓凸塊制作過(guò)程：
+ A( i' r; _( }( ~2 b9 X
% S, l9 o9 q( z$ O; P* q圖3
3 V/ h; S: n2 p( ]1 C

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。
; x6 t) Z1 }! x! g5 \6 J
) u7 N1 }7 R* R( f5 zC4或C2凸塊的批量回流（CUF）
3 ~* P' K2 c, y, p$ S7 b9 R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）
: h% c) J+ D  g8 r[/ol]
5 U, o8 A  B, J$ w- Y8 Z3 l' s圖4說(shuō)明了這個(gè)過(guò)程：
$ W6 T0 H7 y/ E0 c2 w
圖4

& D' I0 m; z$ o: R低力熱壓鍵合（TCB）（CUF）
; e/ k* T7 \3 J# g& o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]
0 n7 ~3 d, P' m, p3 L# ~. {圖5顯示了這個(gè)過(guò)程：
2 p4 p, G. v* i# _7 P
圖5

高力TCB（NCP/NCF）
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
8 w( [1 j9 V; v5 A. N8 k3 I. A[/ol]
圖6和7說(shuō)明了這些過(guò)程：

圖6
/ n% d- f# R# e* f8 {; B
; I* ~: |7 q3 M) Z
圖7
, |' {9 t0 D: K  g: }; y
& I, i* ]+ L4 N6 D
用于可靠性的底填充
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。
) h( D6 ?9 g$ R+ ^2 S' z! m
圖8顯示了底填充分配過(guò)程：

圖8

先進(jìn)的翻轉(zhuǎn)芯片組裝：C2凸塊的LPC TCB
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
, f2 J8 _9 j, D5 w
圖9說(shuō)明了LPC TCB過(guò)程：

# F+ |, C/ f0 j3 M圖9
3 r6 N4 Y/ u( M# n* v- u! t
LPC 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：

圖10

; e2 M- `! a2 c& Q$ a焊點(diǎn)質(zhì)量和可靠性
; J0 c% O0 ?& P- l/ q3 d& {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
! K* X% Z. M" k  ~6 p" X  Q) S
圖11比較了不同工藝形成的焊點(diǎn)的界面微觀(guān)結(jié)構(gòu)：
$ }3 N% Z* m, s" ?2 X8 T. 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)：
8 ?# ^- ^* c& y" z& c4 p$ H* f

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

0 ~2 H5 G0 @6 z8 L圖12總結(jié)了不同翻轉(zhuǎn)芯片組裝方法的當(dāng)前能力：
* Z+ P* O4 O. c8 U: _4 f0 j
; ^) l: H  |$ `( [圖12

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。
[/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。
) {# P5 s: ]0 D+ o/ ~' D" R
參考文獻(xiàn)
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