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引言
# N3 K. g) p, u2 o( |- S. B翻轉(zhuǎn)芯片技術(shù)已成為半導(dǎo)體行業(yè)中不可或缺的封裝方法,在性能、尺寸減小和功能增加方面具有優(yōu)勢(shì)。本文概述翻轉(zhuǎn)芯片技術(shù),包括晶圓凸塊制作工藝、組裝方法和進(jìn)展。" I& n! D8 i+ ^
& c: F5 c! e4 ?; c* e, n% @6 o
/ S3 N% A( n! Q) F7 F! {# x
翻轉(zhuǎn)芯片技術(shù)簡(jiǎn)介
+ X' Q3 l3 E+ ]( |: \8 X, C/ G翻轉(zhuǎn)芯片技術(shù)由IBM在20世紀(jì)60年代初引入,涉及將芯片的有源表面直接通過導(dǎo)電凸塊連接到基板上。與傳統(tǒng)的引線鍵合相比,這種方法具有以下優(yōu)勢(shì):6 `+ C7 v0 Q: r2 j5 K
由于互連更短,電氣性能更好更高的I/O密度更小的封裝尺寸更好的散熱性能) C, I" C+ M5 ]6 x; b1 I; R
" b [" s2 {/ n& A4 ]
晶圓凸塊制作工藝
( S' z0 E, `+ E晶圓凸塊制作是翻轉(zhuǎn)芯片技術(shù)中的關(guān)鍵步驟。兩種常見的方法是模板印刷和電鍍。
* L* Z0 L& ] t5 M0 h: Z: r5 m5 ]/ Q+ Q1 N1 x
模板印刷
$ l6 d) }6 N* S2 ^( b模板印刷是一種簡(jiǎn)單且具有成本效益的晶圓凸塊制作方法。過程包括:通過模板將錫膏涂到晶圓焊盤上回流錫膏形成凸塊
" \4 {; z* V" M! P |) O" l) A[/ol]
( x N! P2 E' p: v圖1說明了準(zhǔn)備進(jìn)行模板印刷的晶圓:: [/ G% p; g+ h: P T+ s. z
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e, u1 L2 W- t5 n) @ c$ M圖1
* C F9 U* ^" b% c9 W9 I+ i% d# U* [8 [
該圖顯示了一個(gè)8英寸晶圓,每個(gè)芯片有48個(gè)焊盤,焊盤間距為0.75毫米。使用的模板具有不同的開口尺寸和形狀,以優(yōu)化凸塊形成。2 t/ H/ }* K- O& V2 N9 j
& r5 w; D( ~. p1 Q) S; nC4(受控塌陷芯片連接)晶圓凸塊制作- e; ~; V0 L9 u& g: Q# h% Y# i
C4凸塊制作通常通過電鍍完成,包括以下步驟:濺射凸塊下金屬層(UBM)涂布和圖案化光刻膠電鍍銅和焊料剝離光刻膠并蝕刻UBM回流焊料形成球形凸塊 H+ p2 @2 ^; f; ]6 v) N% i% p
[/ol]
$ d6 n) U/ ]2 S( e圖2說明了C4晶圓凸塊制作過程:6 U3 h0 C2 B" m$ b
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$ n. s4 ^7 S/ Q+ O3 u8 U
圖2! m/ ?3 u* M. S, t0 \# {
, G% m; [2 y9 v
C2(芯片連接)晶圓凸塊制作6 X- K6 k k Z2 r
C2凸塊制作是C4的一種變體,使用帶有焊料帽的銅柱。這種方法允許更細(xì)的間距和更好的熱電性能。該過程與C4凸塊制作類似,主要區(qū)別在于在焊料帽之前電鍍銅柱。
/ G8 z$ o6 A8 r J2 N) ]; s/ d' i, w+ l& w" ?9 M N1 }8 S) m: `
圖3顯示了C2晶圓凸塊制作過程:
- W p* a' @1 a3 g$ O/ M
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1 j9 ~- y( K' P' u圖3& ~- u$ E* e- D( M
6 \) R9 q2 j, H* @8 |# H8 j' B: u: h
! _0 P. ^9 X6 E7 f$ u$ D: o翻轉(zhuǎn)芯片組裝方法
0 k; k- h$ [9 J: }: w8 c' g有幾種方法可以將翻轉(zhuǎn)芯片組裝到基板上。選擇取決于凸塊類型、間距和可靠性要求等因素。
3 X' h6 C5 J S) I$ ~- w
- y' h6 C. m3 k% U1 C9 u0 eC4或C2凸塊的批量回流(CUF): S! t+ ~7 |, U# P4 }
這是最常見的翻轉(zhuǎn)芯片組裝方法,包括:在凸塊或基板上涂助焊劑將芯片放置在基板上回流組件形成焊點(diǎn)為提高可靠性而施加毛細(xì)管底填充(CUF)
2 ]9 r7 E' m7 c7 `8 O E[/ol]
. R7 n( C7 O* p9 E圖4說明了這個(gè)過程:
. k: @- \/ ~* G+ f$ y& ~
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( @5 H( f: Z& C7 t( a* d F4 m圖4
7 {& U9 D! K0 K3 O5 J' E, z, ~- c* W- L: f, H) ]
低力熱壓鍵合(TCB)(CUF)
! B4 L0 o6 D; ]) j% ~7 m2 b對(duì)于更高的引腳數(shù)和更細(xì)的間距,使用低力TCB:涂助焊劑將芯片放置在基板上施加熱量和低壓力形成焊點(diǎn)施加毛細(xì)管底填充9 p1 O2 w- |. J2 J* L+ F0 p
[/ol]9 X" J& v' j! s+ `& x
圖5顯示了這個(gè)過程:/ ^7 X' A' z! _. y2 e
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) U& p- w+ E. b% s* m5 ~
圖5
( h3 L2 A6 @2 L. N
% m& n5 {7 B9 e, J高力TCB(NCP/NCF)+ G6 _1 I/ I8 l( V
對(duì)于更細(xì)的間距和更薄的封裝,使用高力TCB和預(yù)先涂布的底填充:在基板或芯片上涂布非導(dǎo)電糊料(NCP)或薄膜(NCF)將芯片放置在基板上施加熱量和高壓力同時(shí)形成互連并固化底填充
9 O5 ]3 `- @ |[/ol]
. Y! z" X; w1 }* R- ?/ p/ b圖6和7說明了這些過程: A' s% K4 c5 ]! W0 w, P ]2 [; E
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: ]: ~# X$ j7 L! D' D
圖6' m: j! J' n& C& ^5 ^
- }( W: q' ]! {% E
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( H' A r, w# w- @2 u4 e$ ^! | l
圖7
" D9 O/ _6 l& R3 ]# H$ ?0 J5 z' ]) v/ A
) y& T# n* m: i% y用于可靠性的底填充
$ C' L1 Q3 U3 _1 a- @1 P) N底填充對(duì)翻轉(zhuǎn)芯片組件的可靠性非常重要,特別是在有機(jī)基板上。它有助于分散應(yīng)力并保護(hù)焊點(diǎn)免受熱疲勞和機(jī)械疲勞。
& x' R, ~9 \5 b/ u, b
' I0 ?. \/ L- O/ t( N, v圖8顯示了底填充分配過程:
& m# n0 {$ O7 O$ W& |1 R, t
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( Q. H+ P" M5 M" J
圖8
( j+ V! C0 z6 M$ G& Q9 W& X: D% s; V( q8 Y
先進(jìn)的翻轉(zhuǎn)芯片組裝:C2凸塊的LPC TCB9 M6 K+ U8 ]0 A |% w+ I2 V8 J
翻轉(zhuǎn)芯片組裝的最新進(jìn)展是液相接觸(LPC)TCB工藝。這種方法提供更高的產(chǎn)量和更好的焊點(diǎn)高度控制。
8 j1 B3 b+ F S# i7 k u
; Q+ U* r5 M1 A2 SLPC TCB的主要特點(diǎn):
- L1 k! {5 L U焊料在接觸基板之前熔化更短的鍵合周期時(shí)間(精確控制焊點(diǎn)厚度0 l X0 T% T/ H3 [
' Z! I8 w- L' n% e! ]. z4 \
圖9說明了LPC TCB過程:# f1 U- v! X" g4 e& ]
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: C) F0 R( K z% w" H; P8 ^圖97 f- \5 I$ l) a1 z0 {6 R8 }
/ U0 i/ _$ U% P- S6 ~5 tLPC TCB的優(yōu)勢(shì):6 C; \) m* G4 k
更高的產(chǎn)量(每小時(shí)可達(dá)1,200單位)優(yōu)秀的焊料潤(rùn)濕性精確控制支撐高度
$ B. @! F1 N, z/ ~+ N, d! V- E# t/ k8 r! ?5 i. y
圖10顯示了使用LPC TCB的芯片上基板(CoS)組件的橫截面:7 [6 ^ d3 {" ` C& C
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3 c3 D6 n$ F" K* ~$ g1 w3 i& v8 l圖10
" \4 ^% _4 X. G9 o$ ]* ~3 B
3 ?' u5 |7 z& U, y" G) `7 N焊點(diǎn)質(zhì)量和可靠性
! i0 B& o# _' Q% W0 I6 F3 w) q焊點(diǎn)的質(zhì)量和可靠性對(duì)翻轉(zhuǎn)芯片組件非常重要。影響接頭質(zhì)量的因素包括:
+ }. g; Y; Z$ t( x- E( @0 S3 j& G金屬間化合物(IMC)的形成焊點(diǎn)支撐高度熱循環(huán)性能 o+ v, c4 ?) {. e* v6 p
' J( t9 a0 q: y1 T圖11比較了不同工藝形成的焊點(diǎn)的界面微觀結(jié)構(gòu):
2 }9 r( ]8 D4 e ]
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& b6 k2 l* M7 F8 H ` _; I圖11
9 M' @9 I" G" E2 ~/ B" r- K. M- t, j7 U
未來趨勢(shì)和建議7 J* W* A* I/ n
隨著半導(dǎo)體行業(yè)的不斷發(fā)展,翻轉(zhuǎn)芯片技術(shù)正在演變以應(yīng)對(duì)新的挑戰(zhàn):
6 L& m$ ]* j6 z) m1 t) z4 \5 ?; s# ~增加引腳數(shù)(高達(dá)10,000個(gè))減小焊盤間距(低至30μm)更薄的芯片和基板7 j% s. }; @! b# U* q
0 E. w$ j/ j+ W# J" p圖12總結(jié)了不同翻轉(zhuǎn)芯片組裝方法的當(dāng)前能力:
8 Z" b' u6 A5 u9 O3 Y6 P0 l7 ^
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6 W; }: w' C' d; e6 D5 U! ^9 I
圖12
+ T8 ?8 x; d3 ^8 ]8 j8 D5 P% Z) F( i2 C/ E6 y
對(duì)翻轉(zhuǎn)芯片技術(shù)的建議:對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用,在有機(jī)基板上使用C4凸塊的批量回流和CUF仍然是最廣泛使用的方法。對(duì)于更高的引腳數(shù)和更細(xì)的間距,考慮使用小力TCB和C2凸塊。對(duì)于最高的引腳數(shù)和最細(xì)的間距,使用大力TCB和帶有NCP/NCF的C2凸塊。關(guān)注LPC TCB等進(jìn)展,以潛在地提高產(chǎn)量和焊點(diǎn)質(zhì)量。$ O! G! q# ]$ w- j6 z0 C, T
[/ol]
: e1 d' T3 _) y1 l結(jié)論4 _6 M: L+ h+ u0 a
翻轉(zhuǎn)芯片技術(shù)繼續(xù)成為半導(dǎo)體行業(yè)中的重要封裝方法。通過了解各種凸塊制作工藝、組裝方法和最新進(jìn)展,工程師可以為其特定應(yīng)用需求選擇最合適的技術(shù)。隨著行業(yè)向更高集成度和更小的外形因素發(fā)展,翻轉(zhuǎn)芯片技術(shù)將在實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備中發(fā)揮越來越重要的作用。+ W G- N8 U( v# w% ?3 F$ k! o
. Z$ H. ?+ \: M `: o參考文獻(xiàn)
& F( o' x# g8 w; R, O[1] J. H. Lau, "System-in-Package (SiP)," in Semiconductor Advanced Packaging. Singapore: Springer Nature Singapore Pte Ltd., 2021, ch. 2, pp. 27-65.
' R: V3 c% V, Z$ R: m( e1 R; Z
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