Flip Chip技術(shù)概述

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

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
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。

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：
1. 模板印刷
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(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
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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)。


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)。
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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

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。


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。

C4與C2凸塊對比
: q2 |, s' P' d/ w2 a兩種常見的凸塊類型是：

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

1 ?5 I  A+ J( s6 z& S+ ?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。

, 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。

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)：
1. 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)。
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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。

  G/ t" M  F4 N/ y2. 無芯基板
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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' 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）
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。
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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)。

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)。

2 U  K4 j$ \5 _. M; _1 M3 J; ]5. 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(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 ^
* 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。

% o( f/ g$ l4 c: @6. 扇出重布線層基板
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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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。

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。
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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)。

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圖12：英特爾的嵌入式多芯片互連橋（EMIB）概念。

5 u9 J( a* |9 S# B& E# V翻轉(zhuǎn)芯片組裝
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
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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: 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�
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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）


' K* E6 S) H5 m5 U$ v- r3. 混合鍵合
室溫下直接Cu-Cu鍵合，實(shí)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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. 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：
1.組裝后底填
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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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3 O: A  j, @  Z5 g2.組裝前底填
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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。

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)。
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  N3 x% z. P) Q2 L7 x. v% k* y. ^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：
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。
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。
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。
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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。

+ p  T6 U0 d  ?) |$ n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(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。
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圖16說明了底填應(yīng)用的模板印刷概念。


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。

/ |% _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。


" 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。

' D$ C- `% h) n) P5 n& d" X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。
8 Y9 b0 s2 E0 \! X* @
( a2 P; z5 }; q: P% i# g, F5 b, w
2 w" v1 ~" H- X: p* P6 d8 S9 a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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