Flip Chip技術(shù)概述

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
2 g" Z% M3 `9 D( 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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9 F3 F6 @" L" d翻轉(zhuǎn)芯片簡(jiǎn)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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' F. ^* H) s) w  e8 [8 Y* g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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. B; ?: S7 C2 F0 P4 I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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9 ^2 _' K2 B; s. a% T' o' @1 p+ q7 n晶圓凸塊
+ k" j" D* X, X6 j% P! l2 X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：
0 H# ]6 s, J9 g1. 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(guò)程包括：

設(shè)計(jì)與焊盤(pán)布局匹配的模板孔

通過(guò)模板將錫膏印刷到晶圓焊盤(pán)上

回流焊錫形成凸塊
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' O* ]% L7 c" o' ~圖2展示了一項(xiàng)研究中使用的模板設(shè)計(jì)。

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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(jì)。

* i/ r4 K( B+ V4 T/ n9 D2. 電鍍
0 l! C1 i+ c7 f! `- i電鍍?cè)试S更精細(xì)間距的凸塊。該過(guò)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
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" m0 A0 b6 W: G# a1 `5 t8 W: g5 X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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% P3 F+ u/ r. M4 X! p圖3：使用電鍍的C4凸塊晶圓凸塊工藝流程。
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7 u/ Q2 S# @( o! [9 L; ^7 B$ x( VC4與C2凸塊對(duì)比
兩種常見(jiàn)的凸塊類(lèi)型是：
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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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3 ^2 x; X9 }) O; D1 d2 I$ ]: N  b9 S圖4：C4焊料凸塊和C2銅柱凸塊的比較。

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。
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) X! j  y: g9 _: P; V+ Q, {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
0 X3 H$ Z2 u% Y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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/ z) l+ e5 h! x7 {" v2. 無(wú)芯基板
+ o9 D4 B% T+ {2 d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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圖6：帶芯的傳統(tǒng)積層基板（上）和無(wú)芯基板（下）的比較。
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6 [7 h7 ^) r- R: k  H! I( ]% N3. 凸塊直接連接導(dǎo)線（BOL）
BOL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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& z3 y( x3 `1 h. R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(pán)，(b) BOL概念，(c) 改進(jìn)的BOL結(jié)構(gòu)。
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& M* y4 b' E5 ~4. 嵌入式走線基板（ETS）
3 N# c0 p( I$ D/ U+ [1 B- S, L. ^ETS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。


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
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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& U2 e. R1 P# T3 H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。

+ y4 I. f' S0 D; b2 ~& R6. 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)。

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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。

7. 硅通孔（TSV）中介層
3 J/ P8 [/ v% r* n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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5 U# d. Y- h: r+ M圖12：英特爾的嵌入式多芯片互連橋（EMIB）概念。
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, q+ t9 V, q; y' g0 _( t翻轉(zhuǎn)芯片組裝
- |4 i+ u- l. C主要的翻轉(zhuǎn)芯片組裝方法包括：
# ?- }/ P- a" y5 Q+ D/ C/ l1. 批量回流
3 ^, A7 {4 @- x& u4 K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. 熱壓焊（TCB）
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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/ M: Y$ F' X- {/ Z6 m3. 混合鍵合
! F: E4 U, F9 }7 `* X室溫下直接Cu-Cu鍵合，實(shí)現(xiàn)超細(xì)間距（圖13e）。


$ B' n7 v9 {! H2 A& ^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
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：
1.組裝后底填
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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。

2.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。


圖14：模塑底填（MUF）過(guò)程和挑戰(zhàn)。
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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：
/ N& B5 {7 P% {6 N* r, ^1. 固化條件：使用差示掃描量熱法（DSC）確定。
# O3 D* V0 u8 x: F! h# Y( w2. 熱膨脹系數(shù)（CTE）：使用熱機(jī)械分析（TMA）測(cè)量。
2 V5 Y! h/ V3 j7 o' g0 D3. 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）：從TMA或動(dòng)態(tài)機(jī)械分析（DMA）獲得。
- i! a( [! J% V" }1 R6 F4. 儲(chǔ)能模量：使用DMA測(cè)量。
5. 吸濕率：使用熱重分析（TGA）確定。
( H1 r( b) z1 P6. 流動(dòng)率：在實(shí)際翻轉(zhuǎn)芯片組裝中評(píng)估。
8 Y( G  @" T* G4 f' `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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圖15：底填材料的典型儲(chǔ)能模量和正切δ曲線。

* w7 L- c, E1 @+ d# w8 ?8 j" X& m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(kāi)口，干膜具有更大的開(kāi)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。
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圖16說(shuō)明了底填應(yīng)用的模板印刷概念。


1 o6 l$ H$ y2 V; U5 T+ m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。
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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。

結(jié)論
7 B/ G0 t' e+ Q* v. E4 ~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。
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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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