Flip Chip技術概述

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引言
翻轉芯片(Flip Chip)技術是半導體行業(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。本文概述了翻轉芯片技術，涵蓋了晶圓凸塊、封裝基板、組裝工藝和可靠性考慮等關鍵方面[1]。

翻轉芯片簡介
7 J8 w( z9 q* N  I翻轉芯片技術涉及使用各種互連材料和方法將半導體芯片正面朝下直接連接到基板或另一個芯片上。圖1展示了典型翻轉芯片組裝的關鍵元素。


. J% D$ O, E/ @6 c" N& M圖1：翻轉芯片技術的關鍵元素，包括晶圓凸塊、切割、組裝和底填。

8 N4 c+ v2 q- n  D4 T3 \翻轉芯片方法最初由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、存儲器和其他應用中廣泛使用。
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晶圓凸塊
晶圓凸塊是翻轉芯片技術中的關鍵步驟。兩種常見方法是：
1. 模板印刷
6 Z/ A/ Z$ y) G2 y6 E/ W/ ]在晶圓上進行錫膏模板印刷是一種成本效益高且產量高的方法，但限于較粗的間距（>120 μm）。該過程包括：

設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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$ G, c2 j; ~* ?- {7 h1 A) H, ]圖2展示了一項研究中使用的模板設計。
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9 j6 b9 [' `( n* Q圖2：用于晶圓凸塊研究的四種不同孔形/尺寸的模板設計。
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  s4 e3 k7 U& V3 W, @2 C$ W$ e2. 電鍍
- K- L: f" x% f- o6 Y, X3 L( z# K電鍍允許更精細間距的凸塊。該過程通常包括：
" W. x  o& g- i! c# Q! V( d

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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; w" X2 n  d- l. @5 G8 g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。

" x3 t: ?7 k) \2 j2 ?( |C4與C2凸塊對比
' \' k8 L8 [; k* G% w兩種常見的凸塊類型是：
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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
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圖4比較了C4和C2凸塊。


1 ?' A4 R% }. Y) `! u圖4：C4焊料凸塊和C2銅柱凸塊的比較。

C2凸塊在更精細的間距和改善電氣/熱性能方面具有優(yōu)勢，這得益于銅柱。

翻轉芯片封裝基板
9 [+ f8 z7 a: ]: c- m$ K% j翻轉芯片封裝使用各種基板技術：
7 M+ x* d7 J# u/ H1. 有機積層基板
- E/ U1 d- M7 a- i3 ?1 \多層有機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構。
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圖5：IBM的表面層壓線路（SLC）技術用于翻轉芯片有機積層基板。

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比較了傳統和無芯基板。

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. l5 J/ v& l7 N. R圖6：帶芯的傳統積層基板（上）和無芯基板（下）的比較。

! [. [( j3 @+ ^3. 凸塊直接連接導線（BOL）
BOL通過將凸塊直接連接到基板導線來改善布線密度。圖7說明了BOL概念。
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8 W9 h- I# m) H& w" h" k2 f3 W0 r圖7：凸塊直接連接導線（BOL）基板設計：(a) 傳統凸塊連接焊盤，(b) BOL概念，(c) 改進的BOL結構。

2 G: p7 P& b0 z+ z) Q/ y4. 嵌入式走線基板（ETS）
ETS將細線走線嵌入基板，實現更高的布線密度。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凸塊翻轉芯片在ETS組裝上的結構。
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5 n- c- B# Q5 p5 c5. 積層基板上的薄膜層
4 X! j; C% _4 `; X  z6 d在積層基板上添加薄膜重布線層可實現超細間距布線。圖9展示了新光的i-THOP基板技術。
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) n& X; ]+ K# z7 b6 ^4 e  F圖9：(a) 新光的i-THOP翻轉芯片封裝基板，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。

6. 扇出重布線層基板
0 ]5 \9 w3 i5 a& |扇出晶圓級封裝（FOWLP）使用帶有嵌入芯片和重布線層的重構晶圓。圖10展示了典型的FOWLP結構。
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" K, [) i  w9 E0 y$ b, [4 [圖10：(a) 扇出晶圓級封裝結構，(b) 重布線層橫截面，(c) 重布線層俯視圖。

7. 硅通孔（TSV）中介層
硅通孔中介層可為2.5D集成實現高密度互連。圖11展示了被動TSV中介層的例子。

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圖11：使用被動TSV中介層的2.5D IC集成。
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5 G* e" B* K. y9 I8 G: w1 c8. 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。

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圖12：英特爾的嵌入式多芯片互連橋（EMIB）概念。

翻轉芯片組裝
8 ^! G- Z& _, f4 F# W1 i主要的翻轉芯片組裝方法包括：
1. 批量回流
) `, D: E1 |, c, B使用助焊劑和回流的C4凸塊傳統方法。圖13a說明了該過程。


2 ?% @: b9 L$ u' s  e2. 熱壓焊（TCB）
TCB同時施加力和熱。可用于：

C4/C2凸塊的低壓力和回流（圖13b）

C2凸塊的高壓力，配合預涂底填（圖13c,d）
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1 F9 j( ?4 f, R; s1 F& i. T  x3. 混合鍵合
室溫下直接Cu-Cu鍵合，實現超細間距（圖13e）。


% }: K0 ]+ K7 c+ S9 h8 n6 ^圖13：翻轉芯片組裝工藝：(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
* a" W; Z$ m3 j" s底填對翻轉芯片可靠性很重要，特別是在有機基板上。兩種主要的底填方法是：
4 v+ v* b& L1 H$ ^) n4 W0 O6 K1.組裝后底填

毛細底填（CUF）：組裝后分配，通過毛細作用流入芯片下方。

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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+ X: `9 ]! F5 S! [1 H" G$ b1 K2.組裝前底填
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無流動底填（NUF）：在芯片放置和回流前涂抹。

非導電漿料（NCP）：用于TCB，在鍵合過程中固化。

非導電膜（NCF）：薄膜覆蓋在晶圓或基板上，用于TCB。
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圖14說明了模塑底填概念。
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! ^% ]1 U% @, {0 |2 }) X4 s圖14：模塑底填（MUF）過程和挑戰(zhàn)。

底填表征
5 E+ t) ]/ l7 `3 s正確選擇和表征底填材料非常重要。需要評估的關鍵性能包括：
1. 固化條件：使用差示掃描量熱法（DSC）確定。
2. 熱膨脹系數（CTE）：使用熱機械分析（TMA）測量。
3. 玻璃化轉變溫度（Tg）：從TMA或動態(tài)機械分析（DMA）獲得。
( e2 q# U6 y$ x' d4. 儲能模量：使用DMA測量。
: i( l2 F  \" A+ Y7 ~1 ?) c5. 吸濕率：使用熱重分析（TGA）確定。
6. 流動率：在實際翻轉芯片組裝中評估。
7. 粘合強度：通過芯片剪切測試評估。

圖15展示了底填材料的典型DMA結果，包括儲能模量和正切δ。
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圖15：底填材料的典型儲能模量和正切δ曲線。

底填模板印刷
% K& |& Z# F; ^# e  s一種新的高產量底填應用方法涉及模板印刷。該方法的關鍵方面包括：

模板設計：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。

毛細流動：印刷后，加熱組件使底填流入芯片下方。
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圖16說明了底填應用的模板印刷概念。
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圖16：底填模板印刷過程：(a) 印刷前，(b) 印刷中，(c) 印刷后，(d) 毛細流動后。

實驗結果表明，這種方法可以實現無空隙底填，并具有良好的粘合強度。圖17展示了模板印刷底填組件的橫截面。


圖17：有機基板上翻轉芯片模板印刷底填的橫截面。
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結論
翻轉芯片技術不斷發(fā)展，以滿足先進封裝應用的需求。了解晶圓凸塊、基板技術、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，性能需求增加，材料和工藝的新創(chuàng)新將推動翻轉芯片封裝的未來發(fā)展。


4 e5 E. _, V, C參考文獻
( [  l  ]2 q! f9 l5 ~' u% r[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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