芯片倒装焊封装的工作过程解析

封装是将芯片的“裸芯”通过膜技术及微细加工技术，固定在框架或基板上，完成粘贴及连接，通过引出接线端子，完成对外的电器互联。随着集成电路产业的发展，流片加工工艺越来越先进，单片集成度越来越高，引出端数目也越来越多，传统四周排布 PAD 的方式，无论是 in-line 或是 stagger，都可能无法满足间隔要求。同时，很多大规模电路功耗较大、所集成的外设速率越来越高，例如高速 SERDES 接口，传输速率高达 12.5GHz，致使传统的引线键合（wire bond）封装技术，由金线带来的寄生参数无法满足设计指标要求，从而必须采用倒装焊封装技术手段，来满足较多的引出端数目、较大的供电能力，以及超高的速率要求。

Wire bond 封装和倒装焊封装的区别，一是，前者引出端为四周引出方式，倒装焊封装的引出端为内部二维矩阵排布，二者的封装键合图如图 1 所示。

图 1 引线封装和倒装焊封装示意图

二是，倒装焊封装由四周排布扩展至二维矩阵排布，从而使得引出端数量大幅增加，理论引出端数量对比见表 1。

表 1 封装技术引出端理论数量对比

待封装的是一颗超大规模集成电路芯片，集成了 12.5Gbps 高速 Serdes 硬核，DDR 硬核，LVDS 接口，以及业务处理所需的数据接口。实现工艺为中芯国际（SMIC）65nm，面积达到了 7000 mm×7500mm，管芯引出端数量接近 700 个，封装形式为 CBGA272。

由于整个芯片封装过程中，需要物理版图工程师、Foundry 工程师，与封装厂商三部分高度协同设计。不同身份的设计师，在数据交互时，各自理解不同，容易产生工作冗余迭代，影响效率。所以，将芯片封装过程所涉及的工作内容进行了梳理，展开来进行阐述。

管芯设计内容

此部分主要工作由物理版图设计师完成，针对倒装焊设计与传统引线键合设计的区别进行了阐述。

1）版图布局设计

如图 2 所示，倒装焊封装的 IO 虽然是二维矩阵式（area-IO）排布，但需要注意的是在物理设计时，引出端可以依旧选择四周排布的方式（peripheral-IO）。

图 2 芯片 TOP 层版图

例如本芯片集成的 Serdes 核为硬核形式，IP 设计师给出了图形信息以供走线互连。其他部分的 IO 将按照传统布局方式进行连接。另外，由于本芯片功耗未超过 1W，压降效果不明显，故无需像 FPGA 管芯的设计，从内部做垂直形状的 IO。

2）重布线层设计

重布线层（RDL，Redistribute Layer）。其为倒装焊设计独有的层，用来对管芯引脚重新走线，最大化的增加引出端数量。在 SMIC 65nm 加工工艺中，重布线层的掩膜板层命名见表 2。

表 2 SMIC 掩膜板代码和层命名规则

在设计时，需要参考 SMIC 的设计规则，主要规则如表 3 和图 3 所示。

表 3 SMIC RDL 层布线规则

图 3 RDL 层设计规则图

表 3 显示了具体规则数值。例如 RDL 布线间距（trace space）不得小于 12um，每个 bump 间距（bump pitch）不得小于 150um 等等规则。

本芯片的目标设计时，结合 BGA272 的封装形式，其 RDL 层布线如图 4 所示。

图 4 芯片 RDL 层版图

完成了整个重布线层版图设计，形成了最终的 GDSII 文件，就可以提交流片数据。

3）版图数据提交

图 5 显示了版图工具中翻转、镜像的设置界面，基此，单颗管芯设计完成后，要提交的版图数据包括：一是需要整理出整颗管芯的尺寸，每个引出端的坐标，是否预留了划片道等信息。二是将该信息交付到流片工程师，完成整版的拼版，此时需要注意的是倒装焊由于是“倒装”的焊接到基板上，需要特别注意是否存在版图镜像、翻转的操作。

图 5 版图工具中翻转、镜像的设置界面

封装设计内容

1）封装信息交互

当完成了目标的 RDL 设计之后，就可以提交流片厂商进行 Wafer 的加工生产了，并进行相关封装信息交互。流片厂商会反馈各种信息，其中有些是需要提供给后道封装的。包括晶片初始厚度、目标减薄厚度，划片道宽度、焊盘尺寸与开口尺寸等信息。

2）UBM 层制作注意事项

凸块底部金属（UBM）层一般为第三方加工厂制作，需要基于整张 Wafer 进行 MASK 设计，需要精度较高的 Floorplan 图（见图 6），以及倒装焊目标芯片的 IO 坐标。将在版图中测量出的间距信息提供至 UBM 厂商，完成 0.01um 级别精度的 MASK 制作。

图 6 UBM 厂商所需的 layout 图

3）基板及外壳制作内容

图 7 是基板走线示意图，从中看出，基板（substrate）设计，与高速 PCB 设计规则类似，主要需要考虑电地及信号的走线，避免串扰，尽可能的降低层数，以便节省成本。

图 7 基板走线示意图

完成了基板设计，如图 8 所示，要结合封装形式进行仿真。

图 8 封装仿真模型

4）封装芯片成品

最终完成封装形式为 CBGA272 的倒装焊封装的芯片实物（见图 9），完成了 bump 植柱，未植焊接球。

图 9 芯片实物照片

总结

毫无疑问，技术没有先进和落后一分，只有是否适用于当前产品。倒装焊封装设计复杂度较高，带来了更长的设计周期，增加了研发成本；加工步骤的增多，带来了生产成本的增加；先进的片内封装技术，例如 UBM、基板，都需要进行锡料焊接，虚焊等因素导致良率降低，并且测试排查手段只能通过 X 光进行观测，反馈迭代周期、成本都较长。

当决定采用倒装焊封装后，每个环节的衔接交互都需要格外谨慎，保障芯片最终达到设计目标。
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