倒裝芯片封裝技術(shù)解析

文章來(lái)源：Semika

原文作者：賽米克電子技術(shù)

倒裝芯片是微電子電路先進(jìn)封裝的關(guān)鍵技術(shù)。它允許將裸芯片以面朝下的配置連接到封裝基板上，芯片和基板之間通過(guò)導(dǎo)電“凸起”進(jìn)行電氣連接。

半導(dǎo)體器件面朝下安裝，將電路和機(jī)械結(jié)構(gòu)連接到基板上(圖1)。IBM將這種制造過(guò)程稱為C4過(guò)程(受控折疊芯片連接)。

倒裝芯片組裝提供了許多優(yōu)勢(shì)。一個(gè)關(guān)鍵的優(yōu)點(diǎn)是改進(jìn)了電氣性能。倒裝芯片互連的小凸起提供了短的電路徑，從而產(chǎn)生具有低電容，電感和電阻的優(yōu)異電性能。與其他互連方法(如襯底上的線鍵芯片)相比，這大大提高了高頻性能。倒裝芯片組裝的另一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)是它的緊湊性，與傳統(tǒng)的電線粘合封裝相比，它減小了尺寸和重量。芯片和襯底表面上的電連接墊可以布置為一個(gè)區(qū)域陣列，而不是圍繞芯片的外圍，這是一種典型的線鍵配置設(shè)計(jì)。這種二維陣列結(jié)構(gòu)可以節(jié)省芯片空間，減少芯片在襯底上的占地面積。倒裝芯片結(jié)構(gòu)的低姿態(tài)和小的物理面積允許制造小的電子封裝。如今，倒裝芯片可以在電子表、計(jì)算器、移動(dòng)電話、電子記事本、照相機(jī)、手持設(shè)備和許多其他產(chǎn)品中找到。

低成本倒裝芯片主板一般采用有機(jī)層壓板。這種板材料的一個(gè)缺點(diǎn)是和于硅基集成電路(IC)芯片的大熱膨脹系數(shù)(CTE)失配。如果組件在隨后的工藝步驟中受到高溫的影響，或者在設(shè)備上電和關(guān)閉時(shí)經(jīng)歷溫度循環(huán)，則由于CTE不匹配，在凹凸接頭的界面上產(chǎn)生應(yīng)力。這些應(yīng)力，如果足夠大，可能導(dǎo)致一個(gè)或多個(gè)互連的機(jī)械故障。這種效應(yīng)被認(rèn)為是導(dǎo)致倒裝芯片焊件失效的最常見原因。為了緩解CTE不匹配的問(wèn)題，一般將具有相似CTE值的下填充封裝劑填充在芯片與有機(jī)電路板之間的間隙中。底部填充物沿著芯片的一個(gè)或多個(gè)邊緣分布，通過(guò)毛細(xì)管作用在芯片下流動(dòng)，完全填充凸起周圍(圖2)。固化后，硬底部填充物通過(guò)機(jī)械粘合芯片和電路板，有助于補(bǔ)償熱膨脹差，提高整個(gè)封裝的可靠性。

第一種類型的倒裝芯片(以及今天90%的市場(chǎng))使用標(biāo)準(zhǔn)錫/鉛焊料凸起。其余10%的設(shè)備使用無(wú)鉛金屬，如金、金/錫、銦和粘合劑將芯片附著在基板上。選擇最合適的組裝工藝取決于芯片焊球材料、襯底材料(陶瓷、層壓板、玻璃)、模具尺寸和焊料特性(焊料尺寸、間距和數(shù)量)。下面討論一些倒裝芯片制造工藝及其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

固晶膠（連接使用的粘合劑）通過(guò)絲網(wǎng)印刷或(點(diǎn)膠將粘合劑應(yīng)用于基材上，芯片以非常高的精度放置在基板上，并在低溫下固化。

用于倒裝芯片組件的粘合劑大致可分為導(dǎo)電粘合劑(CA)和非導(dǎo)電粘合劑(NCA)。導(dǎo)電膠又分為各向異性導(dǎo)電膠(ACA)和各向同性導(dǎo)電膠(ICA)。ACAs使用低水平的導(dǎo)電顆粒，如鍍金聚合物球，鍍固體金屬球或低熔點(diǎn)焊料，如SnBi。當(dāng)粘合劑在模具放置過(guò)程中被壓縮時(shí)，填充顆粒形成連接。導(dǎo)電僅在z軸上，如圖3所示。

在各向同性導(dǎo)電膠的情況下，高濃度的導(dǎo)電顆粒，通常是銀片，在所有方向上提供導(dǎo)電性。在基材上的選定區(qū)域進(jìn)行粘合劑的點(diǎn)膠或引腳轉(zhuǎn)移，以實(shí)現(xiàn)倒裝芯片的附著(圖4)。

在非導(dǎo)電膠粘劑的情況下，沒(méi)有導(dǎo)電顆粒(圖5)。在貼片過(guò)程中，通過(guò)施加壓力形成電連接。膠粘劑被置換，芯片凸起被機(jī)械地和電地附著在基板襯墊上。

使用粘合劑的倒裝芯片附件最適合不用于惡劣環(huán)境(極端溫度循環(huán)，高濕，高振動(dòng))的芯片。由于芯片已經(jīng)剛性地附著在基板上，因此永遠(yuǎn)不需要任何底填。

倒裝芯片連接回流焊對(duì)于焊接鍵，焊料凸點(diǎn)和焊盤(或焊盤上的金屬凸點(diǎn))之間的機(jī)械連接是在高于焊料熔點(diǎn)的溫度下通過(guò)焊料回流形成的。在放置倒裝芯片之前，通常將助焊劑涂在焊盤或焊點(diǎn)上，以去除任何可能阻止焊料潤(rùn)濕焊面的金屬氧化物。助焊劑殘?jiān)侵竸┖徒饘俚姆磻?yīng)產(chǎn)物，殘留在部件上，需要清除；否則，它們會(huì)引起微電路的腐蝕，并引起長(zhǎng)期可靠性問(wèn)題。即使在不清潔的磁通系統(tǒng)中，磁通殘留也會(huì)影響光電器件的性能。焊劑殘留物的后清洗一直是基于焊料的倒裝芯片連接的一個(gè)大問(wèn)題。有些助焊劑殘留物是水溶性的，而有些則必須用腐蝕性溶劑去除。對(duì)于細(xì)間距焊接，殘余焊劑可能存在于幾乎不可能檢查和清除殘余焊劑的區(qū)域。替代的無(wú)焊劑焊接(例如等離子處理，使用醋酸或甲酸蒸氣，或鹵素氣體)可能適用于某些應(yīng)用，但目前沒(méi)有單一的解決方案。

熱壓(TC)粘合通常要求溫度高于300°C。這種溫度會(huì)損壞一些貼片塑料、包裝材料和層壓板，以及一些敏感的芯片。

TC鍵合已在金和銦凹凸倒裝芯片組裝中得到應(yīng)用。凸起是使用電解電鍍或螺柱凸起方法在基板上制造的。在鍵合過(guò)程中，芯片被拾取并面朝下對(duì)準(zhǔn)加熱基板上的凸起。當(dāng)鍵合工具下壓時(shí)，金/銦凸起變形并與鍵合墊緊密接觸，從而產(chǎn)生純金屬與金屬的鍵合。

這種粘接方法需要金片粘接墊進(jìn)行連接。鋁墊由于其表面氧化，不太適合。一般不需要下填。芯片通常被密封在一個(gè)密封的外殼中。TC鍵合要求倒裝芯片鍵合機(jī)能夠產(chǎn)生300°C的高鍵合溫度，高達(dá)100 cN/bump的力(每bump
0.22磅[1]力)，以及芯片和襯底之間的高度平行度。為了實(shí)現(xiàn)高成品率的粘接，需要很好地控制粘接力和溫度。為了避免損壞半導(dǎo)體材料，必須以梯度施加結(jié)合力。結(jié)合力過(guò)大可能導(dǎo)致芯片鈍化產(chǎn)生裂紋，有時(shí)由于凸點(diǎn)的過(guò)度變形導(dǎo)致凸點(diǎn)在細(xì)間距陣列中橋接。

熱聲壓縮連接與熱壓縮類似，熱聲子壓縮使用來(lái)自超聲波振動(dòng)的額外能量，從而減少所需的熱量和力(圖6)。熱聲子倒裝芯片技術(shù)越來(lái)越多地用于低引腳數(shù)應(yīng)用，如智能卡、發(fā)光二極管(LED)和電信應(yīng)用中的表面聲波(SAW)濾波器。

金凸釘?shù)寡b芯片比它的祖先焊料凸釘有許多優(yōu)點(diǎn)。金凹凸接觸放置在一個(gè)金屬絲粘合器上，可以放在任何可以金屬絲粘合的粘合墊上。它們可以放置在小至75微米的粘接板上，小至125微米的間距上。金凸起也比焊料更符合要求。

由于焊球可以在線鍵機(jī)上完成，因此不需要晶圓片或球下填料(UBM)。單個(gè)現(xiàn)成的芯片可以在沒(méi)有預(yù)處理的情況下進(jìn)行連接。這使得倒裝芯片快速、高效、靈活，適用于產(chǎn)品開發(fā)、原型設(shè)計(jì)和中小批量生產(chǎn)，同時(shí)可以通過(guò)自動(dòng)化設(shè)備輕松擴(kuò)展到大批量晶圓生產(chǎn)。由于植球是一個(gè)連續(xù)過(guò)程，因此所需的植球時(shí)間隨著植球次數(shù)的增加而增加。然而，高速設(shè)備現(xiàn)在每秒可以放置多達(dá)12個(gè)不球點(diǎn)。植球過(guò)程需要更精確的芯片放置設(shè)備，并且比自對(duì)準(zhǔn)焊料組件更不能容忍放置錯(cuò)誤。熱超聲倒裝芯片鍵合工藝已被證明對(duì)尺寸高達(dá)5 x 5 mm和高達(dá)68 I/ o的芯片非常有用。