先進封裝中的翻轉(zhuǎn)芯片技術(shù)概述

逍遙設(shè)計自動化

引言
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。本文概述翻轉(zhuǎn)芯片技術(shù)，包括晶圓凸塊制作工藝、組裝方法和進展。


2 a' J2 p( ]5 D: r" D, P翻轉(zhuǎn)芯片技術(shù)簡介
* ~; c/ M$ m# u3 K! ~翻轉(zhuǎn)芯片技術(shù)由IBM在20世紀60年代初引入，涉及將芯片的有源表面直接通過導(dǎo)電凸塊連接到基板上。與傳統(tǒng)的引線鍵合相比，這種方法具有以下優(yōu)勢：
+ V6 L( \+ i9 L7 W0 g" e

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
  t) d, ]. D7 b" D
5 b3 j) |2 D. e0 T: `: L晶圓凸塊制作工藝
晶圓凸塊制作是翻轉(zhuǎn)芯片技術(shù)中的關(guān)鍵步驟。兩種常見的方法是模板印刷和電鍍。
6 _& h* M& X- S
模板印刷
5 E- C  |. G4 Y0 \3 A' t# g2 c模板印刷是一種簡單且具有成本效益的晶圓凸塊制作方法。過程包括：

通過模板將錫膏涂到晶圓焊盤上

回流錫膏形成凸塊
" r' z7 ?, m# O+ O, Z" N[/ol]
圖1說明了準備進行模板印刷的晶圓：
) S; \) t2 ?/ W
0 n" h7 l: n4 ], [圖1
1 y" \5 ?9 |! Q* V% K0 O
該圖顯示了一個8英寸晶圓，每個芯片有48個焊盤，焊盤間距為0.75毫米。使用的模板具有不同的開口尺寸和形狀，以優(yōu)化凸塊形成。
1 y  O# R/ D+ _3 _
5 E9 P& j# ]) q! iC4（受控塌陷芯片連接）晶圓凸塊制作
C4凸塊制作通常通過電鍍完成，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]
1 K+ b+ `6 U5 @3 {- U/ s( K6 ~圖2說明了C4晶圓凸塊制作過程：

圖2

C2（芯片連接）晶圓凸塊制作
1 B5 c  w# X, C; G. g9 EC2凸塊制作是C4的一種變體，使用帶有焊料帽的銅柱。這種方法允許更細的間距和更好的熱電性能。該過程與C4凸塊制作類似，主要區(qū)別在于在焊料帽之前電鍍銅柱。

5 z0 y, v9 g& H6 i圖3顯示了C2晶圓凸塊制作過程：
5 {* N7 Y1 m3 g% Q8 }1 D7 b! y& R
" |2 P& ?1 a7 c! V$ t) y圖3


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。選擇取決于凸塊類型、間距和可靠性要求等因素。
4 R$ b8 M4 r0 i9 y0 U8 N
3 z1 V/ c4 Q7 H* l$ f1 ?C4或C2凸塊的批量回流（CUF）
這是最常見的翻轉(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

為提高可靠性而施加毛細管底填充（CUF）
[/ol]
; c2 B- i1 V% w$ c: x8 e, A$ R圖4說明了這個過程：
) l- [- b( `/ a$ Z5 d5 R
圖4
: V& Z; l) X9 ^9 W$ H. D5 i
3 n, I" _) ^& ^1 `低力熱壓鍵合（TCB）（CUF）
對于更高的引腳數(shù)和更細的間距，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

施加毛細管底填充
[/ol]
) f4 J- c+ H; L6 v圖5顯示了這個過程：

圖5
. y3 f8 t3 a' x* N% f8 E
# R( s. _: Q6 e( _高力TCB（NCP/NCF）
; F5 \! b& P/ T對于更細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形成互連并固化底填充
, A# o8 n  D9 y3 Q) u3 K0 @% e[/ol]
( U7 [. U2 e2 E7 O. e. N圖6和7說明了這些過程：

圖6
- N+ m( T: d# _: O4 y! F8 A
/ I/ j* s2 ]) V
! L  a4 Q( J- {  t圖7

4 q6 p% y) R3 Q, ~0 h: m/ v( }
用于可靠性的底填充
底填充對翻轉(zhuǎn)芯片組件的可靠性非常重要，特別是在有機基板上。它有助于分散應(yīng)力并保護焊點免受熱疲勞和機械疲勞。

圖8顯示了底填充分配過程：
7 C$ X) s4 R# k- }  u
9 ]  f/ D* _& Y+ l. m. E& Y圖8

2 n0 p6 d- A4 D) Z  H7 I2 M7 c先進的翻轉(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)量和更好的焊點高度控制。
4 j$ c0 c' e% D& ~0 j- T0 K$ \
LPC TCB的主要特點：

焊料在接觸基板之前熔化

更短的鍵合周期時間（

精確控制焊點厚度

圖9說明了LPC TCB過程：

圖9
  e3 [8 I( e1 h9 {# Y/ Q
LPC TCB的優(yōu)勢：

更高的產(chǎn)量（每小時可達1，200單位）

優(yōu)秀的焊料潤濕性

精確控制支撐高度
+ A6 X% L& p& _) [" |# X
圖10顯示了使用LPC TCB的芯片上基板（CoS）組件的橫截面：
) M, Q+ M# k5 ?8 E. @( ^* H; q
9 }/ u" O( U1 o8 c圖10

$ i3 b( y( p0 ^$ ~/ p8 Y焊點質(zhì)量和可靠性
& f  q6 Z2 I( E8 i; Z/ J焊點的質(zhì)量和可靠性對翻轉(zhuǎn)芯片組件非常重要。影響接頭質(zhì)量的因素包括：
$ L9 m( u5 [5 F+ ~8 K8 P; ^

金屬間化合物（IMC）的形成

焊點支撐高度

熱循環(huán)性能

圖11比較了不同工藝形成的焊點的界面微觀結(jié)構(gòu)：

圖11
6 w( t  {# `6 n/ H( U7 d" v  c
未來趨勢和建議
8 g( {; T+ H" I4 C- @  P! F% Z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)對新的挑戰(zhàn)：
/ @: S& r: H6 e/ R7 n1 `+ y! N

增加引腳數(shù)（高達10，000個）

減小焊盤間距（低至30μm）

更薄的芯片和基板

圖12總結(jié)了不同翻轉(zhuǎn)芯片組裝方法的當前能力：

圖12

0 o/ T0 X- @: V* H% }  P: d+ t4 P2 b對翻轉(zhuǎn)芯片技術(shù)的建議：

對于大多數(shù)應(yīng)用，在有機基板上使用C4凸塊的批量回流和CUF仍然是最廣泛使用的方法。

對于更高的引腳數(shù)和更細的間距，考慮使用小力TCB和C2凸塊。

對于最高的引腳數(shù)和最細的間距，使用大力TCB和帶有NCP/NCF的C2凸塊。

關(guān)注LPC TCB等進展，以潛在地提高產(chǎn)量和焊點質(zhì)量。
[/ol]
結(jié)論
2 S$ f' d3 Z5 i  p5 N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。通過了解各種凸塊制作工藝、組裝方法和最新進展，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)將在實現(xiàn)電子設(shè)備中發(fā)揮越來越重要的作用。

/ G: s! @6 e; ^  l7 _. f參考文獻
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