Flip Chip技術(shù)概述

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
( w/ M& a" a3 l! h/ g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(shì)。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(jiǎn)介
- [' [. i& k& J. v9 N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。


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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% q6 V+ C, x0 Q9 q1 D' p' L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。

. e* }' @2 h# }8 x8 e) ?; ~; w晶圓凸塊
% H3 c6 \, e. w  c4 f- N+ D晶圓凸塊是翻轉(zhuǎn)芯片技術(shù)中的關(guān)鍵步驟。兩種常見(jiàn)方法是：
1. 模板印刷
3 E& C9 k! i) o7 B& Q  m9 U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(guò)程包括：

設(shè)計(jì)與焊盤布局匹配的模板孔

通過(guò)模板將錫膏印刷到晶圓焊盤上

回流焊錫形成凸塊

圖2展示了一項(xiàng)研究中使用的模板設(shè)計(jì)。

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) p3 ]. R" b+ E1 l) [# }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)。

2. 電鍍
' P1 I2 a/ Y- a0 H8 a* P' e7 g電鍍?cè)试S更精細(xì)間距的凸塊。該過(guò)程通常包括：
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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(shuō)明了C4（受控塌陷芯片連接）凸塊的電鍍過(guò)程。
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6 T( e! N& b1 g. `+ w& N' Q圖3：使用電鍍的C4凸塊晶圓凸塊工藝流程。
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; Z" Z+ \. h# e) I* p# KC4與C2凸塊對(duì)比
兩種常見(jiàn)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
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$ t2 ^8 Z! I5 E, ^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。
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% k5 y( U. k" F' M  p  Q7 J' yC2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(shì)，這得益于銅柱。
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翻轉(zhuǎn)芯片封裝基板
# h& \% R* N9 w/ m% B) e翻轉(zhuǎn)芯片封裝使用各種基板技術(shù)：
. \0 }$ D. A, Q) S! C. u5 H5 `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。
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4 B* f8 R9 {1 h2. 無(wú)芯基板
6 R& ^, }; s1 l/ S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(wú)芯基板。

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3 w: c2 x% O! f' L9 ]9 }圖6：帶芯的傳統(tǒng)積層基板（上）和無(wú)芯基板（下）的比較。

3. 凸塊直接連接導(dǎo)線（BOL）
2 Q2 x! p/ r) d) WBOL通過(guò)將凸塊直接連接到基板導(dǎo)線來(lái)改善布線密度。圖7說(shuō)明了BOL概念。
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) a* c1 C: F: n5 A) m" z+ J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)。
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$ g2 O/ B9 r0 y. |4. 嵌入式走線基板（ETS）
0 P% ^& n9 i2 k; ^2 Q% QETS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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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)。
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' \1 o: O6 p5 ^0 i7 z- y5. 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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# m0 A, ^/ A# G4 z" i. u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(cè)試載體。
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6. 扇出重布線層基板
扇出晶圓級(jí)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)。


圖10：(a) 扇出晶圓級(jí)封裝結(jié)構(gòu)，(b) 重布線層橫截面，(c) 重布線層俯視圖。
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0 s/ W( h" W: C" [& q: a7. 硅通孔（TSV）中介層
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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" ], I8 X9 q* I, L" N' Q- D圖11：使用被動(dòng)TSV中介層的2.5D IC集成。
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: C9 l' ~# s+ o1 x8. 硅橋
! J- [# T! l% h2 H4 [( |- W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。
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翻轉(zhuǎn)芯片組裝
主要的翻轉(zhuǎn)芯片組裝方法包括：
  w# p9 [; O7 p6 G: V* Z/ V* x1. 批量回流
使用助焊劑和回流的C4凸塊傳統(tǒng)方法。圖13a說(shuō)明了該過(guò)程。

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2 [1 _/ H4 F. ^5 e; h( U$ r2. 熱壓焊（TCB）
. l, |) @1 d9 z- P" ?& ?TCB同時(shí)施加力和熱。可用于：

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）
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. q5 M. g2 S' W% e3. 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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) {, N5 }0 M, U. m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。

底填
5 A5 h3 `- s& X- o- J4 w底填對(duì)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：
" n- I. {6 B/ E  g2 o. ^1.組裝后底填

毛細(xì)底填（CUF）：組裝后分配，通過(guò)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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& g1 o; E8 N' D% K2.組裝前底填

無(wú)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(guò)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(shuō)明了模塑底填概念。
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圖14：模塑底填（MUF）過(guò)程和挑戰(zhàn)。

1 t& u% o8 C# d# ^* v底填表征
正確選擇和表征底填材料非常重要。需要評(píng)估的關(guān)鍵性能包括：
1. 固化條件：使用差示掃描量熱法（DSC）確定。
9 b, @( m  y) s# Z( U* g2. 熱膨脹系數(shù)（CTE）：使用熱機(jī)械分析（TMA）測(cè)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。
/ ]8 z& ]# H- q/ _# g2 o4. 儲(chǔ)能模量：使用DMA測(cè)量。
" v+ i7 y. [9 S' K" n; o5. 吸濕率：使用熱重分析（TGA）確定。
! B9 m& h' u( z6. 流動(dòng)率：在實(shí)際翻轉(zhuǎn)芯片組裝中評(píng)估。
7. 粘合強(qiáng)度：通過(guò)芯片剪切測(cè)試評(píng)估。

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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0 x0 q' }  R7 C. x5 B圖15：底填材料的典型儲(chǔ)能模量和正切δ曲線。
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底填模板印刷
) V% v+ g2 s% e  v2 L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(guò)程：通過(guò)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。
[/ol]
' X9 r2 b% Y8 l! S7 R7 F圖16說(shuō)明了底填應(yīng)用的模板印刷概念。
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" ~/ K! M5 Z; z8 _! M0 }- {
圖16：底填模板印刷過(guò)程：(a) 印刷前，(b) 印刷中，(c) 印刷后，(d) 毛細(xì)流動(dòng)后。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種方法可以實(shí)現(xiàn)無(wú)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。
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圖17：有機(jī)基板上翻轉(zhuǎn)芯片模板印刷底填的橫截面。
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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(duì)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(lái)發(fā)展。


! r. u/ W0 Q/ d+ P參考文獻(xiàn)
- t+ x" d4 d. j8 m( B; @[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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