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引言
, T# s2 ]2 N6 ~7 T5 b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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翻轉(zhuǎn)芯片簡介9 P' t4 D7 r& |* A% _
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。( m- p( ]/ L! ~; F( N% p
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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。- d% z: j9 o" B& F. K6 ^
5 _% S# n6 x7 j+ P+ C5 N p
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。
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晶圓凸塊
" Z/ T9 _6 t/ l5 X) X1 c4 p( U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:6 n( Z% _- T" ?' N2 d8 d2 a" z
1. 模板印刷& ^, Z2 E8 ?$ o4 O4 F
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:
b% O% r2 c7 I- Z) M7 Z4 u; M設(shè)計(jì)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
4 j b% m' z+ t+ K9 U
8 W/ _. B$ ]( A5 {! o, n圖2展示了一項(xiàng)研究中使用的模板設(shè)計(jì)。8 V& a: ~8 e% k6 X1 g. e1 M6 R4 Y
q$ Y: h' s0 B8 s0 l c) k5 N
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6 s1 |* S( M. O }6 g- b/ U% A; o6 g
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)。
/ A7 L1 D2 U: J3 ]" t% T; \2 I% w _3 O
2. 電鍍# l; M# C( H& j8 n, C
電鍍允許更精細(xì)間距的凸塊。該過程通常包括:9 }3 }. x. q6 d9 f- A! J
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4 m# d( P- Y' A$ _7 i: w
9 W" |% ~6 P: i3 e! H3 ?0 V圖3說明了C4(受控塌陷芯片連接)凸塊的電鍍過程。7 Q6 F7 K1 C, t4 E
5 a% U3 X) f0 z- Y+ r, x, c; k
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5 J' M: L. a! M/ d/ e' K圖3:使用電鍍的C4凸塊晶圓凸塊工藝流程。- ~+ B1 \$ t3 q4 c
& L0 ?, |2 u+ B1 C, Y9 {: l$ p
C4與C2凸塊對比
: q2 |, s' P' d/ w2 a兩種常見的凸塊類型是:% @+ `( B9 ?- |& l s
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# k4 w. I/ Q0 ^
1 ?5 I A+ J( s6 z& S+ ?圖4比較了C4和C2凸塊。
5 g% v. ^ n% K& N* @# J
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圖4:C4焊料凸塊和C2銅柱凸塊的比較。& o( n6 N) [. ?) v4 k2 H
, n: c4 A$ `6 V* d9 m$ Q) V* oC2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。; `4 p( [! c) j
: V& Q# L' X4 {6 f# o2 z8 a
翻轉(zhuǎn)芯片封裝基板 A9 ~& w& e* _5 Z- p$ c; y
翻轉(zhuǎn)芯片封裝使用各種基板技術(shù): W7 P2 j/ }2 e+ j) u
1. 有機(jī)積層基板; K; n4 ], ?; N/ }/ ]6 ^" f8 G" b* l
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)。
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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。/ C( l a# M: v
G/ t" M F4 N/ y2. 無芯基板8 z2 E6 X9 j+ P3 m1 @2 t% X
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。# M$ \& @% c9 [6 r4 y0 s- y0 u
& \) c- b4 I* I n; V; D
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' O2 C9 \2 M9 z" g5 H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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5 T" B& a }* f, r: K1 t7 w3. 凸塊直接連接導(dǎo)線(BOL)+ g* c: K2 g* [" b) ~' q) a
BOL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。
+ |- c. ]0 @7 {
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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)。+ O2 d/ X, _* O, h. ]8 d
1 J: ^& A; k4 n; P
4. 嵌入式走線基板(ETS)
3 a. c. ?) @- W) w% m: zETS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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& K1 K( A" y; | \6 _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)。( V2 C+ Y- r$ d: h+ G
2 U K4 j$ \5 _. M; _1 M3 J; ]5. 積層基板上的薄膜層/ B1 Z) }( ^2 T+ Q' u
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)。
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, W5 E, R3 H9 L% c: }1 P7 ^
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* m C# D/ h o8 e# d& g7 t; g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。; y6 z3 q7 h( O
% o( f/ g$ l4 c: @6. 扇出重布線層基板/ _) B" }/ Z, [
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)。% m+ }1 q1 r: V7 w3 V) K6 E
! w0 ]4 |+ ^$ o$ C' g+ Y8 `1 V
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6 E9 ~6 O7 X3 f& Y( _; Z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 J% ~# A* |6 ]( j' K" b% G2 v7 K
7 r3 a' o5 ?' `3 d% b7. 硅通孔(TSV)中介層
$ t+ }8 {, E8 N, \0 \2 i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。
" A, O0 `) }& T% Y1 S$ C- n' O& N
8. 硅橋, K7 F1 P# {& f* ^) N
嵌入式硅橋?yàn)樾酒g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)。0 t( t7 f* B9 Y5 e. q. A& f
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圖12:英特爾的嵌入式多芯片互連橋(EMIB)概念。! }7 i/ {2 b( H9 k0 w
5 u9 J( a* |9 S# B& E# V翻轉(zhuǎn)芯片組裝- I* W2 _. F0 p
主要的翻轉(zhuǎn)芯片組裝方法包括:
. s( y# u) w" P( b9 U9 y- {8 S1. 批量回流- e( t) H; s# r" U' p8 K- U8 A
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。
6 X( t9 F9 ~4 @8 B& B) h/ {4 L& {: E% G
: k7 _" q( g) t1 W7 U+ E+ d" N& p2. 熱壓焊(TCB)
, H4 p8 t1 t) J( g7 KTCB同時(shí)施加力和熱?捎糜冢
; o" ]9 A; |( ~- q0 y2 LC4/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)4 \% y0 X! D& r9 i. X- q- @ _* p. e
3 z; y* e4 u5 T5 G7 N: P
' K* E6 S) H5 m5 U$ v- r3. 混合鍵合$ J- S9 g7 `8 g: R. t% m2 |9 R' m- H
室溫下直接Cu-Cu鍵合,實(shí)現(xiàn)超細(xì)間距(圖13e)。* ?3 K1 }3 X: K) r$ N
/ O2 M) q t* q6 ~3 ?
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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。
: i$ l& h4 Q' U, e |! Z. J, F" L
. r1 o5 _) v- u底填
c1 @7 \0 p9 B/ i; m( g底填對翻轉(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:* ~5 n/ R$ q" U4 q$ B$ n
1.組裝后底填
$ p, I! w( M. {( [: S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。
+ t( F1 B; [- p9 E3 G. O! V
3 O: A j, @ Z5 g2.組裝前底填
1 a8 _3 {8 k# w6 I1 `) z無流動(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,在鍵合過程中固化。非導(dǎo)電膜(NCF):薄膜覆蓋在晶圓或基板上,用于TCB。/ v! o# |3 U$ ~, t+ C7 ?
/ d7 S! V9 d/ R
圖14說明了模塑底填概念。
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/ @0 m! M; X6 Q圖14:模塑底填(MUF)過程和挑戰(zhàn)。
& Z4 w0 A. G! S
N3 x% z. P) Q2 L7 x. v% k* y. ^底填表征 e8 i! N0 U9 k" F! I
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:
8 z: f2 Z% r; L3 \1. 固化條件:使用差示掃描量熱法(DSC)確定。
7 ?0 q. F9 K/ q* D% P% ^2. 熱膨脹系數(shù)(CTE):使用熱機(jī)械分析(TMA)測量。* _8 _+ Y0 M, }: t! i% m
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。
4 j4 c' w9 L: M4. 儲(chǔ)能模量:使用DMA測量。; |8 a# {8 T3 H8 n3 A o+ E( ~1 B
5. 吸濕率:使用熱重分析(TGA)確定。
! P+ E# h P$ L6. 流動(dòng)率:在實(shí)際翻轉(zhuǎn)芯片組裝中評估。
5 g; d3 @. f* p! a2 S7. 粘合強(qiáng)度:通過芯片剪切測試評估。
T9 ^! z5 K9 ^6 z0 v2 ^# y9 K1 ]- Y9 }& A% M4 Z4 _$ }
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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; `4 G H/ y, W3 H6 F# S8 i圖15:底填材料的典型儲(chǔ)能模量和正切δ曲線。 g/ S/ u8 E# G, n" y4 v: F
+ p T6 U0 d ?) |$ n底填模板印刷+ o" v! o& l9 b2 x4 f8 F8 y
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(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。/ Q) [. @' s# F8 X5 Y2 R4 T0 O
[/ol]! o0 `; v6 }3 L' Q% T5 T6 L: G
圖16說明了底填應(yīng)用的模板印刷概念。% w$ V: a/ @7 F
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+ Q( ~4 ]& q5 \1 {
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(dòng)后。/ t6 D- L, |6 c; s6 v
/ |% _0 g1 F5 J# F實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,這種方法可以實(shí)現(xiàn)無空隙底填,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。3 D- s# M) w3 p8 k
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" t. L* c5 M% E, K圖17:有機(jī)基板上翻轉(zhuǎn)芯片模板印刷底填的橫截面。" {- }. r( |: l/ c( a' ^
' D$ C- `% h) n) P5 n& d" X結(jié)論* p! A: N. l9 U: v, H0 g
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)芯片封裝的未來發(fā)展。
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- F! m z, e* M. G4 T- h2 T4 \' _; k深圳逍遙科技有限公司(Latitude Design Automation Inc.)是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計(jì)和仿真軟件,提供成熟的設(shè)計(jì)解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio,分別針對光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計(jì)與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù),廣泛服務(wù)于光通訊、光計(jì)算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)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(dòng)特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展,致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。
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