Flip Chip技術(shù)概述

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
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]。

翻轉(zhuǎn)芯片簡介
. u0 M) h# O$ [8 j3 T1 @2 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。


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。

  k5 p8 \7 S' l1 S  F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。

% `4 X+ o( }8 G$ D( ]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：
1. 模板印刷
5 u! t9 U4 i8 S4 r# E4 e# D4 c: `. N  t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(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
/ G0 ]" V/ n* I2 `  Q) {
圖2展示了一項(xiàng)研究中使用的模板設(shè)計(jì)。
- |; S0 k* O$ n; w: l/ t# C- O2 I
% o3 w' F5 g, ~# a- K& _
) U( g9 r( [( q$ U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)。

, x3 e6 w0 A" `' X& J6 l/ d" R/ ?2. 電鍍
9 s3 @9 _" |2 X: k電鍍?cè)试S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
5 Y3 J/ \/ W% g
( r7 u! Y; f/ }0 @; u6 Q圖3說明了C4（受控塌陷芯片連接）凸塊的電鍍過程。

9 @1 i" P' i) g$ Q2 d: ^# S3 `
圖3：使用電鍍的C4凸塊晶圓凸塊工藝流程。

$ z' |! y# x' m$ m6 w9 JC4與C2凸塊對(duì)比
( ?$ m1 f4 x! \8 U兩種常見的凸塊類型是：
' a5 W+ H% j! U7 y0 S3 n

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
/ @0 u" s0 O6 ^( R
圖4比較了C4和C2凸塊。
+ H7 E, M; U3 g9 N

6 o; U* r1 n- B2 |9 U圖4：C4焊料凸塊和C2銅柱凸塊的比較。
% w7 \  e* J9 k0 o- [
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(shì)，這得益于銅柱。
- z/ p9 O# t8 {. X9 c$ [
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)。

7 J. b; z5 H( N, r1 x" w
  |  u# H4 p& z: f# n3 v! f, w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。

2. 無芯基板
9 s2 Q0 e7 d/ Y% i* b# V! V9 V; 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)和無芯基板。
- Z. m# A$ d( f! o8 Y- V0 b- B* _

9 F5 h; B+ j1 A  G* ^# M圖6：帶芯的傳統(tǒng)積層基板（上）和無芯基板（下）的比較。

: ~. u* x0 U: K" \3. 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。
9 Z% E) P5 i" |! m& b- A

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)。
7 [, y- Z1 M7 Y# p1 Q( B0 u
6 K  {4 V2 w% M4. 嵌入式走線基板（ETS）
+ U+ i( {( Q4 A+ N, D3 oETS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。


! a; g2 i& ~# A1 {* {, R) t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)。
( c6 ~9 H# A( Y, ]; R6 t
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)。
8 V4 X8 I" K- m8 b( e  ^
1 |- D6 Y8 M! V4 A* Q
3 Q3 E  `( j; j1 q1 K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。

7 j: i* ]% A/ Y. s5 ~: z7 ?6. 扇出重布線層基板
0 O8 A$ Q& M+ l  [0 L# h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)。
6 o# j4 ^; K, X4 c6 Y$ F- ]% n
1 a% n% g/ }/ ~% l
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。

# G3 H3 M4 Q* ?. j; e, f9 d7. 硅通孔（TSV）中介層
% L( D' W3 a8 t, Q: z" o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。

: t8 q1 k  w- s
4 d/ Y' n0 Y/ P圖11：使用被動(dòng)TSV中介層的2.5D IC集成。

8. 硅橋
% d! B  _9 W- t! S* G, Z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)。


! w9 G$ }. P4 ~5 B7 u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
* `+ K9 I  J" D' V' J/ S主要的翻轉(zhuǎn)芯片組裝方法包括：
( Z% v8 C' |, Q% B# e. _# ?# J1. 批量回流
: y4 u* m* Y" j9 |" @* l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。

0 b( K- ?+ S- q9 [7 w* g7 H6 I
- _. ^: k* j2 Y  i- j* D) O2. 熱壓焊（TCB）
& j4 E3 X1 \) V. XTCB同時(shí)施加力和熱。可用于：
8 I- m- a" y% u, [8 }6 X

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）


3. 混合鍵合
室溫下直接Cu-Cu鍵合，實(shí)現(xiàn)超細(xì)間距（圖13e）。

% S' f" L) W  d9 y9 s8 K
4 w6 I. p( @8 w' H" Z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。
2 j9 ?5 e# C+ C2 B) I
底填
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：
( [0 ]4 C6 \* \. y1.組裝后底填
% ?% _& }8 S7 d9 `

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。

- ^0 \& D) x" u0 I2.組裝前底填

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。

9 e5 ?7 D+ V. N. c# D- e; x9 x圖14說明了模塑底填概念。
, r( C" Z0 y4 b  r( B( M# Q  w
5 o/ p1 l; j, M6 P+ U" V/ b+ I
圖14：模塑底填（MUF）過程和挑戰(zhàn)。
7 @1 J( X8 ]3 T  I7 R
: R. ?* z0 p) O+ Z/ C# w7 o" N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。
2. 熱膨脹系數(shù)（CTE）：使用熱機(jī)械分析（TMA）測(cè)量。
4 p, D. s) S4 m; }7 h) G7 M8 ]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。
6 k. u1 z& R; k9 R6 f# c4. 儲(chǔ)能模量：使用DMA測(cè)量。
( ^) ^: D5 Z$ x. @5. 吸濕率：使用熱重分析（TGA）確定。
! [1 q+ q# F$ _- @6. 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：通過芯片剪切測(cè)試評(píng)估。
$ Q" {* A$ }: ]% ?. W* L% `3 z0 h
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。
4 [3 T' I; B, m. X% h% V

圖15：底填材料的典型儲(chǔ)能模量和正切δ曲線。

- m; U, q+ g0 O" @' f; I6 j# @底填模板印刷
+ x6 H6 [; J+ Y" T7 O* H* P  n" u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。
1 {! Q- s3 Z2 X8 ~* R2 A3 j) E[/ol]
+ W! O2 g3 B) Y  }圖16說明了底填應(yīng)用的模板印刷概念。
. k0 _8 D/ f: v/ p* O8 S: o
1 P7 U# w) W" R* `) u
1 L6 N: H% H/ i8 p! J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。

# c$ O* V6 a* O+ Q- F) m/ s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。


圖17：有機(jī)基板上翻轉(zhuǎn)芯片模板印刷底填的橫截面。

+ y" ^4 j  Q" L: |. R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)芯片封裝的未來發(fā)展。
0 t6 e5 S. y) y4 N" O- A0 ?
$ j: A8 @6 D% y. d- d( o1 z7 o8 P
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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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(duì)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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