引言

翻轉芯片技術已成為半導體行業(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。本文概述翻轉芯片技術，包括晶圓凸塊制作工藝、組裝方法和進展。

翻轉芯片技術簡介

翻轉芯片技術由IBM在20世紀60年代初引入，涉及將芯片的有源表面直接通過導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：

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

晶圓凸塊制作是翻轉芯片技術中的關鍵步驟。兩種常見的方法是模板印刷和電鍍。

模板印刷

模板印刷是一種簡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

圖1說明了準備進行模板印刷的晶圓：

圖1

該圖顯示了一個8英寸晶圓，每個芯片有48個焊盤，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。

C4（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

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。

圖3顯示了C2晶圓凸塊制作過程：

圖3

翻轉芯片組裝方法

有幾種方法可以將翻轉芯片組裝到基板上。選擇取決于凸塊類型、間距和可靠性要求等因素。

C4或C2凸塊的批量回流（CUF）

這是最常見的翻轉芯片組裝方法，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

為提高可靠性而施加毛細管底填充（CUF）

圖4說明了這個過程：

圖4

低力熱壓鍵合（TCB）（CUF）

對于更高的引腳數(shù)和更細的間距，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

施加毛細管底填充

圖5顯示了這個過程：

圖5

高力TCB（NCP/NCF）

對于更細的間距和更薄的封裝，使用高力TCB和預先涂布的底填充：

在基板或芯片上涂布非導電糊料（NCP）或薄膜（NCF）

將芯片放置在基板上

施加熱量和高壓力同時形成互連并固化底填充

圖6和7說明了這些過程：

圖6

圖7

用于可靠性的底填充

底填充對翻轉芯片組件的可靠性非常重要，特別是在有機基板上。它有助于分散應力并保護焊點免受熱疲勞和機械疲勞。

圖8顯示了底填充分配過程：

圖8

先進的翻轉芯片組裝：C2凸塊的LPC TCB

翻轉芯片組裝的最新進展是液相接觸（LPC）TCB工藝。這種方法提供更高的產量和更好的焊點高度控制。

LPC TCB的主要特點：

焊料在接觸基板之前熔化

更短的鍵合周期時間（<4秒）

精確控制焊點厚度

圖9說明了LPC TCB過程：

圖9

LPC TCB的優(yōu)勢：

更高的產量（每小時可達1，200單位）

優(yōu)秀的焊料潤濕性

精確控制支撐高度

圖10顯示了使用LPC TCB的芯片上基板（CoS）組件的橫截面：

圖10

焊點質量和可靠性

焊點的質量和可靠性對翻轉芯片組件非常重要。影響接頭質量的因素包括：

金屬間化合物（IMC）的形成

焊點支撐高度

熱循環(huán)性能

圖11比較了不同工藝形成的焊點的界面微觀結構：

圖11

未來趨勢和建議

隨著半導體行業(yè)的不斷發(fā)展，翻轉芯片技術正在演變以應對新的挑戰(zhàn)：

增加引腳數(shù)（高達10，000個）

減小焊盤間距（低至30μm）

更薄的芯片和基板

圖12總結了不同翻轉芯片組裝方法的當前能力：

圖12

對翻轉芯片技術的建議：

對于大多數(shù)應用，在有機基板上使用C4凸塊的批量回流和CUF仍然是最廣泛使用的方法。

對于更高的引腳數(shù)和更細的間距，考慮使用小力TCB和C2凸塊。

對于最高的引腳數(shù)和最細的間距，使用大力TCB和帶有NCP/NCF的C2凸塊。

關注LPC TCB等進展，以潛在地提高產量和焊點質量。

結論

翻轉芯片技術繼續(xù)成為半導體行業(yè)中的重要封裝方法。通過了解各種凸塊制作工藝、組裝方法和最新進展，工程師可以為其特定應用需求選擇最合適的技術。隨著行業(yè)向更高集成度和更小的外形因素發(fā)展，翻轉芯片技術將在實現(xiàn)電子設備中發(fā)揮越來越重要的作用。