芯片熱管理，倒裝芯片封裝“難”在哪？

來(lái)源 :道芯IC

芯片功耗提升,散熱重要性凸顯...

01概述Summarize

底部填充料在集成電路倒裝芯片封裝中扮演著關(guān)鍵的角色。在先進(jìn)封裝技術(shù)中，底部填充料被用于多種目的，包括緩解芯片、互連材料（焊球）和基板之間熱膨脹系數(shù)不匹配所產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力，分散芯片正面的承載應(yīng)力，保護(hù)焊球、提高芯片的抗跌落性和熱循環(huán)可靠性，以及在高功率器件中傳遞芯片間的熱量。

根據(jù)使用場(chǎng)景的不同，底部填充膠通常分為三種類(lèi)型。首先是用于填充芯片與封裝基板之間凸點(diǎn)間隙的倒裝芯片底部填充膠，其精度通常在微米級(jí)。

其次是用于填充封裝基板與PCB印制電路板之間焊球間隙的（焊）球柵陣列底部填充膠，其間隙精度為毫米級(jí)，對(duì)底部填充膠的要求相對(duì)較低。第三種是用于晶圓級(jí)封裝。在這些應(yīng)用中，倒裝芯片底部填充膠的市場(chǎng)占比最大。

■ 傳統(tǒng)Underfill流程

02材料分類(lèi)

Material Classification

倒裝芯片底部填充料填充在集成電路芯片與有機(jī)基板之間的狹縫中，起到密封保護(hù)連接焊點(diǎn)的作用。底部填充料是影響倒裝芯片組裝質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。由于芯片、有機(jī)基板、焊料連接和填充材料屬于不同材質(zhì)，它們的熱膨脹系數(shù)存在差異。

在沒(méi)有底部填充的情況下，芯片與有機(jī)基板的熱膨脹系數(shù)差異最大，導(dǎo)致在溫度變化時(shí)整個(gè)封裝體易發(fā)生形變，且在芯片與有機(jī)基板互連點(diǎn)上出現(xiàn)剪應(yīng)力。

底部填充料的關(guān)鍵作用在于調(diào)節(jié)上述現(xiàn)象，使整個(gè)系統(tǒng)的熱膨脹系數(shù)介于芯片和基板之間，加強(qiáng)焊接連接的強(qiáng)度，降低連接點(diǎn)的疲勞應(yīng)力，從而延長(zhǎng)產(chǎn)品壽命。

■ 倒裝芯片用材料

Underfill材料主要由有機(jī)粘合劑、填料、固化劑、催化劑、偶聯(lián)劑、潤(rùn)濕劑、阻燃劑、消泡劑以及其他添加劑構(gòu)成。

■ Underfill材料

根據(jù)填充階段的不同，底部填充技術(shù)可分為后填充和預(yù)填充兩種類(lèi)型。傳統(tǒng)的底部填充技術(shù)通常在倒裝芯片互連后進(jìn)行。隨著系統(tǒng)集成度的不斷提高，倒裝芯片上凸點(diǎn)的尺寸和間距變得越來(lái)越小，當(dāng)間距小于100微米時(shí)，傳統(tǒng)的后填充技術(shù)常常存在凸點(diǎn)填充不完全或產(chǎn)生孔洞等缺陷，導(dǎo)致封裝互連的可靠性下降。

為了適應(yīng)倒裝芯片窄間距互連的填充需求，預(yù)成型底部填充技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。這種技術(shù)簡(jiǎn)化了工藝流程，并且能夠有效地對(duì)窄間距互連（小于100微米）進(jìn)行良好的底部填充。

預(yù)成型底部填充技術(shù)指的是在芯片互連之前將底部填充料施加在芯片或基板上，在隨后的回流或熱壓鍵合過(guò)程中，同時(shí)完成芯片凸點(diǎn)互連和底部填充固化的工藝步驟。

03工藝分類(lèi)

Process Classification

根據(jù)填充工藝的分類(lèi)，后填充可分為毛細(xì)管底部填充（CUF）和塑封底部填充（MUF），而預(yù)填充則主要涵蓋非流動(dòng)底部填充料（NUF）、晶圓級(jí)底部填充料（WLUF）、非導(dǎo)電漿料（NCP）和非導(dǎo)電膜（NCF）。

■ Underfill材料分類(lèi)

1）毛細(xì)管底部填充（CUF）技術(shù)依賴(lài)毛細(xì)作用將材料填充在芯片和芯片載體之間。首先，在帶有凸點(diǎn)的基板上涂覆一層助焊劑，然后將芯片焊料凸點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)基板焊盤(pán)，加熱使焊料回流，實(shí)現(xiàn)上下凸點(diǎn)的互連。

隨后，通過(guò)溶劑噴霧等方式清洗助焊劑，然后沿著芯片邊緣注入底部填充料。底部填充料借助毛細(xì)作用會(huì)被吸入芯片和基板的空隙內(nèi)，最后進(jìn)行加熱固化。目前，市場(chǎng)上大部分底部填充料采用毛細(xì)管底部填充技術(shù)，廣泛應(yīng)用于手機(jī)等許多電子器件的小尺寸芯片封裝中。

■ FC封裝中CUF的填充工藝過(guò)程

2）塑封底部填充（MUF）技術(shù)將底部填充料的填充和器件塑封兩個(gè)步驟合二為一。在進(jìn)行塑封的同時(shí)，底部填充料進(jìn)入芯片和基板之間的空隙，在隨后的固化過(guò)程中完成填充和密封。相較于毛細(xì)管底部填充工藝，塑封底部填充工藝（MUF）更為簡(jiǎn)便快速。

■ MUF工藝優(yōu)勢(shì)

3）非流動(dòng)底部填充料（NUF）工藝不依賴(lài)于液體的毛細(xì)作用。在芯片和基板互連之前，首先在基板表面涂覆非流動(dòng)底部填充料，然后在焊料回流過(guò)程中同時(shí)完成焊球互連和底部填充料的加熱固化。這一工藝省去了毛細(xì)管底部填充工藝中助焊劑的涂覆和清除步驟，提高了生產(chǎn)效率。

■ NUF工藝流程

4）晶片級(jí)底部填充料（WLUF）是針對(duì)晶片級(jí)封裝而設(shè)計(jì)的填充方式。在晶圓上，通過(guò)適當(dāng)?shù)耐扛补に嚕ㄈ鐚訅夯蛲扛玻┨砑右粚拥撞刻畛淞?，并?duì)其進(jìn)行加熱以去除溶劑以進(jìn)行預(yù)固化。隨后，通過(guò)平整化處理露出互連凸點(diǎn)，然后對(duì)晶圓進(jìn)行切割，以獲得帶有凸點(diǎn)的單個(gè)組件。最后，這些組件通過(guò)表面安裝工藝與基板連接起來(lái)。

5）非導(dǎo)電漿料（NCP）工藝可以通過(guò)熱壓的方式直接讓凸點(diǎn)和焊盤(pán)接觸，實(shí)現(xiàn)電互連，省去了與助焊劑相關(guān)的步驟。該材料在固化后主要用于形成機(jī)械連接，并維持凸點(diǎn)和焊盤(pán)的接觸壓力。

■ 面向窄節(jié)距凸點(diǎn)互連的NCP非流動(dòng)底部填充技術(shù)工藝流程

6）非導(dǎo)電膜（NCF）材料具有柔軟性，可作為卷材夾在塑料薄膜（如PET）中使用，適用于圓片級(jí)封裝。NUF與NCP/NCF有所不同，NUF的非流動(dòng)性在焊料回流過(guò)程中同時(shí)實(shí)現(xiàn)封裝材料和助焊劑等與焊球的互連。而NCP/NCF是一種非導(dǎo)電材料（膜），通過(guò)倒裝鍵合的熱壓方式完成焊球的互連和封裝材料的固化過(guò)程。

■ 不同類(lèi)型的底部填充材料和相關(guān)工序