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]。
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) K/ G2 f; c5 ~1 Z. V$ H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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) z2 i2 Z+ u8 u- C2 o3 E. [9 b
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。
2 d2 H4 G8 d% H4 t
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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1 u. X" T& h" d晶圓凸塊
7 J! c0 w" h6 z6 {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：
  J; V. U/ @" P1. 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)。
4 e- |. u# r5 |
5 X) k! y+ p- G! M9 \
  k7 C8 a  s6 J% c# @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)。
" W3 ~3 R$ o* _& M/ g
: R! q% Z+ ^% i# s  Y  a  J2. 電鍍
! [7 M; ?3 u( s, P7 E" E" h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

圖3說(shuō)明了C4（受控塌陷芯片連接）凸塊的電鍍過(guò)程。


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(duì)比
兩種常見(jiàn)的凸塊類型是：
  `/ @5 X0 T1 v& k

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
* h8 l0 \. Q% F0 q/ L3 L8 I
8 |; E4 y: H" E! a0 Z圖4比較了C4和C2凸塊。
  J4 R/ O  L. b6 n7 n3 i' \

4 c* q$ M* V# w! i1 I/ O" `  v# o圖4：C4焊料凸塊和C2銅柱凸塊的比較。

. P7 g% ~, \5 R% \9 X& U( J, J2 ^3 tC2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。
9 ^( I% a3 W* O% _& z! ]9 ~7 c5 D
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)：
& Y( C) G; F& H! b1. 有機(jī)積層基板
) ?# P8 x* R: h1 O# 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)。
. ~, {6 u" c* o. M2 L* I0 r- n9 f# d

8 c: s: `6 D& C1 g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。
3 c% \/ d' G- ~2 [( D7 E4 C, u
2. 無(wú)芯基板
1 _8 f9 E1 J' i& k9 c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。
; {2 e# y. [- B% `7 ^3 V

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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3. 凸塊直接連接導(dǎo)線（BOL）
5 C% K3 g! F4 w+ e- U; {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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2 I, h9 `2 ?  f; A5 Y- `
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)。

4. 嵌入式走線基板（ETS）
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。
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+ d. W. c! Z2 I' L' M: K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)。

5. 積層基板上的薄膜層
' h. M' O2 @6 i0 R6 a, J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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8 m- i/ k4 }) Y9 L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。
& K( [9 T5 i/ }9 A/ k: c
6. 扇出重布線層基板
7 t% V# u8 F; S* B0 o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)。
: c2 H% w9 H8 w# n

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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& x: W) b# O/ r' C! X$ {* K7. 硅通孔（TSV）中介層
% K, o. Z: j6 j- 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。
& c/ M% c& j, m6 z" {5 s  `

2 Y3 K$ `6 n- r# R4 M圖11：使用被動(dòng)TSV中介層的2.5D IC集成。
0 [+ J" h( j7 n( J3 b$ R
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)。
5 i* L" Y6 y1 M" s! F) z8 `$ _

% G- U5 N4 `& ~2 c圖12：英特爾的嵌入式多芯片互連橋（EMIB）概念。
' w* |# F- B2 ]
% r1 D+ ?' f3 ^1 q! n3 t8 S翻轉(zhuǎn)芯片組裝
主要的翻轉(zhuǎn)芯片組裝方法包括：
$ A4 C% u4 w% w1. 批量回流
$ _5 R( Q- Y' {' N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。
" O$ p# m$ D$ l  Z
+ @; V8 R' [! }1 y$ u* w9 _, h
2. 熱壓焊（TCB）
: N( o% U; ^; K0 {8 O% bTCB同時(shí)施加力和熱�？捎糜冢�
; H; A) N" t  t5 s0 z' p8 T

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）
2 R9 g9 Y: R" o
$ ~: Y; }5 m1 A( H, P
% R% y8 K9 \4 T3 y  ~3. 混合鍵合
' i6 p8 W( w; H7 _, Z. N室溫下直接Cu-Cu鍵合，實(shí)現(xiàn)超細(xì)間距（圖13e）。


: m$ Q4 [0 ?: M7 S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。

' R! ^3 h6 V4 S2 l5 \6 ?9 D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：
  _- ~; Z* ^+ M$ F8 a# k) N1 c1.組裝后底填
* D3 C7 S, g$ T$ h

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。
3 s, L7 C) e% t8 w1 s* d
2 D8 {) h9 l* K. A$ G9 ~2.組裝前底填
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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。
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) d2 s. u4 U( h% y! ]2 S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)。
6 H2 s1 R1 l, ]( Q7 z
' Z9 X# G4 t, N6 B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。
; t% a: N4 ?: [: C& w' J/ w1 ]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。
- W1 w+ H' N3 @* o; C4 O8 P3 s4. 儲(chǔ)能模量：使用DMA測(cè)量。
  i  w7 P9 e: n1 w0 n2 b5. 吸濕率：使用熱重分析（TGA）確定。
% {# A$ y7 {$ ^7 E5 H6. 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。
# Q4 G" H6 B" @2 b/ W, M# J$ {
+ t! o6 X! W' N2 M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。


+ G6 v' `- q' G6 F2 @' s圖15：底填材料的典型儲(chǔ)能模量和正切δ曲線。
  _3 k0 a0 U: |4 k. A( h* T+ o9 [
底填模板印刷
+ L: r, F5 J# A1 f1 n1 g# a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。
" q! U0 A$ u1 {/ Q  A" x7 ~[/ol]
圖16說(shuō)明了底填應(yīng)用的模板印刷概念。


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。

" u7 W# c+ ]/ `& p7 @* M$ L5 H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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& G* W/ \, n) [, G+ P) h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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2 V% C" g8 [% L- H& Y, _; _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。


; X5 w4 a+ I2 B1 J參考文獻(xiàn)
1 Z! L, Z$ D! {* m4 T[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(kāi)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(guó)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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