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]。

6 }0 X) f: ?( G: M+ i, O翻轉(zhuǎn)芯片簡(jiǎn)介
; C( l+ F! V7 @: M4 q* U. 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。
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! S! S/ U7 V1 A9 f+ x7 K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(chǔ)器和其他應(yīng)用中廣泛使用。

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(jiàn)方法是：
1. 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

8 Q5 f8 A- \9 N+ J# Y7 p2 V圖2展示了一項(xiàng)研究中使用的模板設(shè)計(jì)。
5 C9 t4 ~3 c0 T8 @
3 V( V' M: n8 V
6 Z: l5 N/ d+ @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)。
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5 J* [! z" C5 I8 {8 Z& h& }1 Z2. 電鍍
/ V, E, ~3 w5 e# I# o& D4 d6 a" T  X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
5 z& N. L% c' x
圖3說(shuō)明了C4（受控塌陷芯片連接）凸塊的電鍍過(guò)程。

1 @9 c2 G( P+ k& ~* T3 D, f6 s  p
圖3：使用電鍍的C4凸塊晶圓凸塊工藝流程。
7 f; O  h5 _: k, b8 Y
C4與C2凸塊對(duì)比
  U# v" x7 K" r兩種常見(jiàn)的凸塊類型是：

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
6 l. e$ T: r: ~9 _& ~2 `- L5 d5 _
) Z6 @2 h  x2 T+ c: @; s1 F圖4比較了C4和C2凸塊。
8 c* d! `4 x$ [

) A6 x& U/ H3 u7 J1 X4 s) F# j圖4：C4焊料凸塊和C2銅柱凸塊的比較。

3 r# I- g& {: J& \5 ZC2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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7 U' d8 P& ]! }. H0 O$ O# p. t翻轉(zhuǎn)芯片封裝基板
/ e! I0 e. ~0 @, L+ D' e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)。
" ]/ i1 J( c; c
- U- w& E7 u5 m3 a
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。

: S8 Z# }4 g! d( N, c2. 無(wú)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(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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3. 凸塊直接連接導(dǎo)線（BOL）
7 v  q) B5 T2 dBOL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。


3 P: X- s& N# f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)。
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4 }* i7 g/ q1 F" J3 g" n4. 嵌入式走線基板（ETS）
) ~7 ^2 b" U( |: z3 M  y3 h  I. EETS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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  q) q* s/ l: x7 _# u; W
. ]# v& X# k! n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)。

  K$ Y. S4 |9 u5. 積層基板上的薄膜層
% x0 S: t* I, z3 z' V0 g, g( \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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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。

" Z0 y0 d0 M+ B( [$ q  n6 G6. 扇出重布線層基板
- m; Z6 F5 S0 T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
7 I, m! A0 @- M. i! h# e# K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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7 p: m- E# X3 _  H$ v" E圖11：使用被動(dòng)TSV中介層的2.5D IC集成。
* N& ~, e: K* Y
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)。
2 [2 i8 j% @0 u( `) ]6 }5 y

圖12：英特爾的嵌入式多芯片互連橋（EMIB）概念。

$ W  h# c5 H% V翻轉(zhuǎn)芯片組裝
主要的翻轉(zhuǎn)芯片組裝方法包括：
' R0 C0 L& t6 R# I( g- H1. 批量回流
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。
; C+ S, m& j$ g! V2 G

2. 熱壓焊（TCB）
2 z. g. S4 C" I8 `6 j. KTCB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）


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）。
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2 W( e1 _* }# @% Y' T  o9 v0 l3 k
& o9 V1 K! S0 T* W5 }; Z5 Y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。
; q* z1 L/ |3 ~  D0 k4 b! a& ?4 `, A
6 A# q% r& k) }4 W5 o: F% b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：
+ P8 Z, J$ _9 ~' o" E4 J1.組裝后底填
$ C" E& ]" g& I+ i# i: t" }

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。
; v! @, u+ o( q
2.組裝前底填
: ?; B6 X1 R( f: a

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。

* u% I. g& H2 u1 @2 t圖14說(shuō)明了模塑底填概念。
$ r4 P+ S" C0 [% N, y
; L* f7 v" Y' w1 F
圖14：模塑底填（MUF）過(guò)程和挑戰(zhàn)。

" b7 m, u, u, C; G( F3 Z" ]; m4 U( [底填表征
6 v' z/ \3 i, ~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：
) c, @2 w1 l" N& f- p1. 固化條件：使用差示掃描量熱法（DSC）確定。
' ]- F; W( }: Q" W3 [4 @' C( E& e2. 熱膨脹系數(shù)（CTE）：使用熱機(jī)械分析（TMA）測(cè)量。
9 ~( D' ]! D/ U' `, v9 A" b  @# t% |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。
4. 儲(chǔ)能模量：使用DMA測(cè)量。
5 D) U4 p/ Q- E8 `8 R. t+ K5. 吸濕率：使用熱重分析（TGA）確定。
/ A% \' W& c+ m( k" n$ v5 G6. 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。
: p2 v: S: s% l, D
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。


% I$ ]% K1 L9 }/ L0 c( X圖15：底填材料的典型儲(chǔ)能模量和正切δ曲線。

底填模板印刷
! ^; S+ t- K1 ^9 L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。
1 Y2 r5 z8 A) x& u) n0 a1 J1 C& C[/ol]
! g7 O( g, t. _2 _+ W  u" n$ r圖16說(shuō)明了底填應(yīng)用的模板印刷概念。
1 b2 ]4 J9 e: U$ V1 p  U$ E2 B
) B$ ]  z3 R( D; L5 y8 ]9 b
! w/ n* S4 c7 f9 A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。

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。
/ ]3 g7 f! N" h" I" |/ P' {
* A+ c7 U5 d. o, |( q5 [" ^
6 d7 U+ @( Z6 z6 l% H圖17：有機(jī)基板上翻轉(zhuǎn)芯片模板印刷底填的橫截面。
$ A: |1 u5 |- M) t( `6 }1 l- H
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。


$ w! d7 M/ \0 l* [& F. E參考文獻(xiàn)
" x7 n6 d- g+ n6 t( w& Q4 C[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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