先進(jìn)封裝中的翻轉(zhuǎn)芯片技術(shù)概述

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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。


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)：

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

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: r
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：

  e, u1 L2 W- t5 n) @  c$ M圖1
* C  F9 U* ^" b% c
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。

& r5 w; D( ~. p1 Q) S; nC4（受控塌陷芯片連接）晶圓凸塊制作
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
[/ol]
$ d6 n) U/ ]2 S( e圖2說明了C4晶圓凸塊制作過程：

圖2

C2（芯片連接）晶圓凸塊制作
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
圖3顯示了C2晶圓凸塊制作過程：
- W  p* a' @1 a3 g$ O/ M
1 j9 ~- y( K' P' u圖3


! _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）
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& ~
( @5 H( f: Z& C7 t( a* d  F4 m圖4
7 {& U9 D! K0 K3 O
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
[/ol]
圖5顯示了這個(gè)過程：

圖5
( h3 L2 A6 @2 L. N
% m& n5 {7 B9 e, J高力TCB（NCP/NCF）
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：

圖6


圖7
" D9 O/ _6 l& R

) 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
圖8
( j+ V! C0 z6 M$ G& Q
先進(jìn)的翻轉(zhuǎn)芯片組裝：C2凸塊的LPC TCB
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

圖9說明了LPC TCB過程：

: C) F0 R( K  z% w" H; P8 ^圖9

/ U0 i/ _$ U% P- S6 ~5 tLPC TCB的優(yōu)勢(shì)：

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
圖10顯示了使用LPC TCB的芯片上基板（CoS）組件的橫截面：

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

' 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  ]
& b6 k2 l* M7 F8 H  `  _; I圖11
9 M' @9 I" G" E2 ~/ B" r
未來趨勢(shì)和建議
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

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 ^
圖12
+ T8 ?8 x; d3 ^8 ]8 j
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。
[/ol]
: e1 d' T3 _) y1 l結(jié)論
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。

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