Flip Chip技術(shù)概述

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引言
# y8 Z1 U# F6 y* g  R! ]: 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。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]。

! L8 K5 ]3 p5 R2 h4 G& X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。
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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、存儲器和其他應(yīng)用中廣泛使用。
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晶圓凸塊
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：
- K: o3 R  }1 v" s$ r+ Y$ h1. 模板印刷
8 k% |3 q& J% K0 d5 o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：

設(shè)計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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圖2展示了一項研究中使用的模板設(shè)計。
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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。

2. 電鍍
5 j) f# S4 G* E8 a# t電鍍允許更精細(xì)間距的凸塊。該過程通常包括：
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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說明了C4（受控塌陷芯片連接）凸塊的電鍍過程。

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圖3：使用電鍍的C4凸塊晶圓凸塊工藝流程。
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C4與C2凸塊對比
3 Y( F$ ^+ k0 o+ {兩種常見的凸塊類型是：
$ U* G; ~' w% Q: [: Q. U

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

圖4比較了C4和C2凸塊。
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, A) m1 Q# D7 S5 c
' c! t; m1 d. Y5 y1 \7 |, F. ~圖4：C4焊料凸塊和C2銅柱凸塊的比較。

7 U& B6 A/ z' O" a( }C2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。
3 K1 Q* A8 G3 A9 I$ ?+ W8 w5 p
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)：
0 t2 @* q& |2 s) B1. 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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$ r& y3 M5 w- k& c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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2. 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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: i. P4 {7 I+ o0 A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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* P+ B- ]( a5 A& L; m: h3. 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：(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）
ETS將細(xì)線走線嵌入基板，實現(xiàn)更高的布線密度。圖8展示了ETS概念和工藝流程。


) D! ^5 P' i' X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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5. 積層基板上的薄膜層
9 l- F3 x/ A4 {/ F3 Q( H8 _在積層基板上添加薄膜重布線層可實現(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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/ O5 @! J& H( ~+ w7 g7 }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。
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6. 扇出重布線層基板
5 y1 I7 }2 C0 U1 e% K  @2 S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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5 w8 d/ k0 U; t3 e( z3 m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。
4 [  ^$ y( V& T: o% t* P$ r* l
8 `; |& N! Y, }* p7. 硅通孔（TSV）中介層
  K9 n4 y$ s2 w  x/ S0 M* Z6 w硅通孔中介層可為2.5D集成實現(xiàn)高密度互連。圖11展示了被動TSV中介層的例子。
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, [/ M3 O3 N1 f5 [圖11：使用被動TSV中介層的2.5D IC集成。
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8. 硅橋
嵌入式硅橋為芯片間連接提供了全TSV中介層的替代方案。圖12展示了英特爾的EMIB技術(shù)。


; Z2 K1 O7 R8 c1 ^  v圖12：英特爾的嵌入式多芯片互連橋（EMIB）概念。

翻轉(zhuǎn)芯片組裝
; ]8 R) k% R. n# X2 h6 W# H8 p主要的翻轉(zhuǎn)芯片組裝方法包括：
3 {$ I" W3 U9 t9 z5 a* [" ^# g6 X1. 批量回流
+ r% b- f* }* T  a5 K2 c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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2. 熱壓焊（TCB）
TCB同時施加力和熱�？捎糜冢�

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）

! `" E: J' h  t
# B3 u" W/ b- |. k# z, O3. 混合鍵合
室溫下直接Cu-Cu鍵合，實現(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。

0 T; n; B9 B6 o底填
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。

$ g5 k" d2 u% k/ P! f2.組裝前底填

無流動底填（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。
1 l0 w: ^3 c, r1 K$ Q& H7 {
圖14說明了模塑底填概念。

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圖14：模塑底填（MUF）過程和挑戰(zhàn)。

+ @( U9 m0 w, O% u, y底填表征
- T- c3 M% t0 ~% r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：
' d1 C; }7 \+ v8 {1. 固化條件：使用差示掃描量熱法（DSC）確定。
* S; u( p! E; S! ]# W# I! Q2. 熱膨脹系數(shù)（CTE）：使用熱機(jī)械分析（TMA）測量。
3 d3 x3 \( q; J* M3. 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）：從TMA或動態(tài)機(jī)械分析（DMA）獲得。
2 h$ `1 g( s2 C: P3 W% [8 J4. 儲能模量：使用DMA測量。
5. 吸濕率：使用熱重分析（TGA）確定。
6. 流動率：在實際翻轉(zhuǎn)芯片組裝中評估。
2 N( e& F  @( v7. 粘合強(qiáng)度：通過芯片剪切測試評估。

7 t6 G7 f% _: Y& u圖15展示了底填材料的典型DMA結(jié)果，包括儲能模量和正切δ。

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6 k& @! D, j; Y圖15：底填材料的典型儲能模量和正切δ曲線。
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1 k+ g& u/ E# {  k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：每個芯片使用一個小矩形開口，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芯片的一個邊緣。

毛細(xì)流動：印刷后，加熱組件使底填流入芯片下方。
[/ol]
5 C4 v3 U* E# I5 h圖16說明了底填應(yīng)用的模板印刷概念。

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7 ^- M" j% u- L8 b) N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)流動后。
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$ f! D8 H5 e- I6 O, a實驗結(jié)果表明，這種方法可以實現(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。
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" |+ H3 E; b3 R4 L+ c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
( s; d& t& P% T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方面對成功實施非常重要。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)新將推動翻轉(zhuǎn)芯片封裝的未來發(fā)展。


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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