先进封装中的翻转芯片技术概述

引言

翻转芯片技术已成为半导体行业中不可或缺的封装方法，在性能、尺寸减小和功能增加方面具有优势。本文概述翻转芯片技术，包括晶圆凸块制作工艺、组装方法和进展。

翻转芯片技术简介

翻转芯片技术由IBM在20世纪60年代初引入，涉及将芯片的有源表面直接通过导电凸块连接到基板上。与传统的引线键合相比，这种方法具有以下优势：

由于互连更短，电气性能更好

更高的I/O密度

更小的封装尺寸

更好的散热性能

晶圆凸块制作工艺

晶圆凸块制作是翻转芯片技术中的关键步骤。两种常见的方法是模板印刷和电镀。

模板印刷

模板印刷是一种简单且具有成本效益的晶圆凸块制作方法。过程包括：

通过模板将锡膏涂到晶圆焊盘上

回流锡膏形成凸块

图1说明了准备进行模板印刷的晶圆：

图1

该图显示了一个8英寸晶圆，每个芯片有48个焊盘，焊盘间距为0.75毫米。使用的模板具有不同的开口尺寸和形状，以优化凸块形成。

C4（受控塌陷芯片连接）晶圆凸块制作

C4凸块制作通常通过电镀完成，包括以下步骤：

溅射凸块下金属层（UBM）

涂布和图案化光刻胶

电镀铜和焊料

剥离光刻胶并蚀刻UBM

回流焊料形成球形凸块

图2说明了C4晶圆凸块制作过程：

图2

C2（芯片连接）晶圆凸块制作

C2凸块制作是C4的一种变体，使用带有焊料帽的铜柱。这种方法允许更细的间距和更好的热电性能。该过程与C4凸块制作类似，主要区别在于在焊料帽之前电镀铜柱。

图3显示了C2晶圆凸块制作过程：

图3

翻转芯片组装方法

有几种方法可以将翻转芯片组装到基板上。选择取决于凸块类型、间距和可靠性要求等因素。

C4或C2凸块的批量回流（CUF）

这是最常见的翻转芯片组装方法，包括：

在凸块或基板上涂助焊剂

将芯片放置在基板上

回流组件形成焊点

为提高可靠性而施加毛细管底填充（CUF）

图4说明了这个过程：

图4

低力热压键合（TCB）（CUF）

对于更高的引脚数和更细的间距，使用低力TCB：

涂助焊剂

将芯片放置在基板上

施加热量和低压力形成焊点

施加毛细管底填充

图5显示了这个过程：

图5

高力TCB（NCP/NCF）

对于更细的间距和更薄的封装，使用高力TCB和预先涂布的底填充：

在基板或芯片上涂布非导电糊料（NCP）或薄膜（NCF）

将芯片放置在基板上

施加热量和高压力同时形成互连并固化底填充

图6和7说明了这些过程：

图6

图7

用于可靠性的底填充

底填充对翻转芯片组件的可靠性非常重要，特别是在有机基板上。它有助于分散应力并保护焊点免受热疲劳和机械疲劳。

图8显示了底填充分配过程：

图8

先进的翻转芯片组装：C2凸块的LPC TCB

翻转芯片组装的最新进展是液相接触（LPC）TCB工艺。这种方法提供更高的产量和更好的焊点高度控制。

LPC TCB的主要特点：

焊料在接触基板之前熔化

更短的键合周期时间（<4秒）

精确控制焊点厚度

图9说明了LPC TCB过程：

图9

LPC TCB的优势：

更高的产量（每小时可达1，200单位）

优秀的焊料润湿性

精确控制支撑高度

图10显示了使用LPC TCB的芯片上基板（CoS）组件的横截面：

图10

焊点质量和可靠性

焊点的质量和可靠性对翻转芯片组件非常重要。影响接头质量的因素包括：

金属间化合物（IMC）的形成

焊点支撑高度

热循环性能

图11比较了不同工艺形成的焊点的界面微观结构：

图11

未来趋势和建议

随着半导体行业的不断发展，翻转芯片技术正在演变以应对新的挑战：

增加引脚数（高达10，000个）

减小焊盘间距（低至30μm）

更薄的芯片和基板

图12总结了不同翻转芯片组装方法的当前能力：

图12

对翻转芯片技术的建议：

对于大多数应用，在有机基板上使用C4凸块的批量回流和CUF仍然是最广泛使用的方法。

对于更高的引脚数和更细的间距，考虑使用小力TCB和C2凸块。

对于最高的引脚数和最细的间距，使用大力TCB和带有NCP/NCF的C2凸块。

关注LPC TCB等进展，以潜在地提高产量和焊点质量。

结论

翻转芯片技术继续成为半导体行业中的重要封装方法。通过了解各种凸块制作工艺、组装方法和最新进展，工程师可以为其特定应用需求选择最合适的技术。随着行业向更高集成度和更小的外形因素发展，翻转芯片技术将在实现电子设备中发挥越来越重要的作用。