倒裝芯片技術(shù)分析

文繼剛

同濟大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，上海 200081

0 引言

倒裝芯片封裝技術(shù)（FC）是由IBM公司在上個世紀60年代開發(fā)的，即將芯片正面朝下向基板進行封裝。15年前，幾乎所有封裝采用的都是引線鍵合，如今倒裝芯片技術(shù)正在逐步取代引線鍵合的位置，這種封裝方式無需引線鍵合，因此可以形成最短電路，從而降低電阻；并且采用金屬球進行連接可以縮小封裝尺寸，改善電性表現(xiàn)，從而解決了BGA為增加引腳數(shù)而需擴大體積的困擾。采用倒裝芯片封裝技術(shù)可以降低生產(chǎn)成本，提高速度及組件的可靠性。

1 倒裝芯片技術(shù)的優(yōu)點

1.1 完整性、可靠性強

倒裝芯片相當于一個完全封裝的芯片，它是由錫球下的冶金與芯片鈍化層密封的，并提供下一級封裝的內(nèi)連接結(jié)構(gòu)。將一個構(gòu)造合理的倒裝芯片安裝在適當載體上用于內(nèi)連接，即使沒有其他灌封，該載體也可以滿足所有可靠性要求。

1.2 自我對準能力強

在錫球回流時，焊錫受表面張力的作用，可以自動糾正芯片微小的對準偏差，從而提供了裝配制造的合格率。同時倒裝芯片技術(shù)也提供低電感，在高頻應(yīng)用中起到至關(guān)重要的作用。

1.3 將電源帶入芯片的每個象限

倒裝芯片技術(shù)可以將電源帶入芯片的每個象限，即在整個芯片面積上，其電流是均勻分布的。

1.4 成本低廉

倒裝芯片技術(shù)消除了封裝并減小了芯片的尺寸，因此節(jié)省了硅的使用量，降低了制作成本。

2 倒裝芯片技術(shù)分析

2.1 形成凸點技術(shù)

凸點形成技術(shù)可以分為淀積金屬、機械焊接、基于聚合物的膠粘劑等幾個類型。

1）金屬電鍍技術(shù)

一般是在電鍍槽里，把基片當作陰極，利用靜態(tài)電流或者脈沖電流來完成焊料的電鍍。在鍍上所需厚度的焊料后，就可以把光致抗蝕劑清除掉，這時焊料凸點制作完成。電鍍的優(yōu)勢是可以在非常小的間距內(nèi)印刷，而且可以保證足夠的焊料以得到更高的高度。電鍍的不足之處在于它的啟動成本較高，生產(chǎn)設(shè)備的占用面積較大，電解液會造成更多的浪費，選擇合金的靈活性少。

化學(xué)鍍是一種新型的金屬表面處理技術(shù)，該技術(shù)以其工藝簡便、節(jié)能、環(huán)保日益受到人們的關(guān)注，其鍍層均勻、裝飾性好，并且能提供產(chǎn)品的耐蝕性和使用壽命，在印刷電路行業(yè)應(yīng)用較為廣泛，近年來其通過化學(xué)形成凸點的技術(shù)也應(yīng)用到倒裝芯片中來。由于化學(xué)性質(zhì)非常準確，在化學(xué)倒裝片凸點技術(shù)工藝中，化學(xué)鍍鎳技術(shù)應(yīng)用較為普遍。如果鋁沒有與鎳同時電鍍，就可使用中間浸液電鍍鋅技術(shù)。在典型狀況下，鎳受到金涂層保護，形成的金毛刺適于焊接及膠粘劑壓焊。化學(xué)鍍鎳凸點技術(shù)工藝簡單、成本低，是主要的倒裝芯片凸點工藝。

2）機械形成凸點技術(shù)

此技術(shù)使用標準線連接過程以形成凸點，釬料絲可以使用金絲或鉛基釬料絲。凸點形成過程與線連接過程相同，不同之處在于絲端成球后，在球端加熱使之斷開，最后形成有短尾部的凸點，隨后重熔過程可獲得具有特定高度的球形凸點。為保證在球附近形成光滑的斷裂口，可以使用含有1%鉑的金絲作為釬料絲。柱式凸點形成技術(shù)，長期使用于試制形式，由于通過引線鍵合機獲得了驚人的速度，已移入生產(chǎn)模式，金和金凸點及焊料凸點均被實施。

3）聚合物凸點技術(shù)

它采用導(dǎo)電聚合物制作凸點，設(shè)備和工藝相對簡單，是一種高效、低成本的倒裝芯片技術(shù)。采用這種技術(shù)無需高溫也不允許焊料合金再流，沒有α輻射和鉛，而且工序簡單，首先放置好聚合物，然后便可進行焊接。由于各種膠粘劑不能直接用在鋁上，所以通常把它們應(yīng)用于金焊盤。

2.2 壓焊技術(shù)

共晶焊料構(gòu)成的凸點，包含壓焊和連接材料。首先將凸點用免清洗焊劑涂覆并置于板上，然后像普通的SMD元件一樣進行焊料回流。僅對凸點提供焊劑是較難的，特別是當使用下填充物時，焊劑熔解輪將被用來給凸點和導(dǎo)電膠提供焊膏。

不熔的芯型凸點（如鎳凸點），在其組裝過程中應(yīng)增加連接材料。可通過絲網(wǎng)印刷、模板印刷或針式印刷等形式將焊料分配到電路載體上，然后放置芯片并進行焊料回流。

使用印刷或分配方法可把導(dǎo)電膠提供給電路載體或凸點，即聚合物浸涂芯片法（PDC）。使用裝滿粘附膏的“焊劑熔解輪”，在旋轉(zhuǎn)盤或別的儲層的外面涂覆膠粘劑，厚度略小于凸點高度。把芯片放入膏中并用粘著凸點的膠粘劑抽出，把倒裝芯片置于電路上并進行膠粘劑固化。

2.3 下填充技術(shù)

目前使用的下填充系統(tǒng)可以分為3類，即毛細管底部填充、助焊（非流動）型底部填充和四角或角-點底部填充系統(tǒng)。每類下填充系統(tǒng)都存在其優(yōu)勢和局限性，目前應(yīng)用比較廣泛的是毛細管底部填充材料。毛細管底部填充的應(yīng)用范圍包括板上倒裝芯片和封裝內(nèi)倒裝芯片。通過采用底部填充可以分散芯片表面承受的應(yīng)力進而提高了整個產(chǎn)品的可靠性。在傳統(tǒng)倒裝芯片和芯片尺寸封裝（CSP）中使用毛細管底部填充的工藝類似。首先，將芯片粘貼到基板上已沉積焊膏的位置，之后進行再流，這樣就形成了合金互連。在芯片完成倒裝之后，采用分散技術(shù)將底部填充材料注入到CSP的一條或兩條邊。材料在封裝下面流動并填充CSP和組裝電路板之間的空隙。毛細管底部填充可以極大地提高可靠性，但是要完成這一工藝，需底部填充材料的注入設(shè)備、足夠的廠房空間安裝設(shè)備以及可以完成精確操作的工人。

在倒裝片和PCB之間加入下填充物可靠性提高了一個數(shù)量級或更多。經(jīng)過硬化的下填充物把板移動定位在硅芯片的移動上。低膨脹、極高模量無機硅至少在表面上成為限制有機PCB膨脹的約束力。

2.4 檢測技術(shù)

倒裝芯片的最終質(zhì)量受制作中每個工藝過程的影響，因此在倒裝芯片制作的3個工藝階段，均應(yīng)安排檢測工序。在圓片生產(chǎn)階段應(yīng)檢測圓片表面及凸點有無缺陷，凸點尺寸是否合格，基本的材料與平整性等；在組裝階段主要是檢測芯片與基片連接的可靠性，一般應(yīng)進行高溫和熱循環(huán)測試，并應(yīng)在測試后檢查芯片和基片的裂紋。同時在該階段還應(yīng)檢測是否存在組裝缺陷，如焊點開路、短路，焊料缺損等，有些情況下還應(yīng)對芯片底部填充材料的缺陷（如是否存在氣泡等）進行檢測；應(yīng)用階段的檢測內(nèi)容基本與組裝階段相同。倒裝焊芯片檢測的方法可以分成接觸式和非接觸式檢測2類。前者包括電測試、邊界掃描和功能測試等方法。它們可以很好檢測到芯片的短路和開路，但不能有效地區(qū)別焊點缺陷，無法判斷冷焊點連接或機械連接等不合格的連接形式，所以不能提供長期可靠性的判斷。另外由于是接觸式測量，會對芯片的表面造成損壞。而非接觸檢測技術(shù)不但可以檢測到芯片中的微觀特性，對器件不會造成損壞，如自動光學(xué)檢測，自動X射線檢測、聲學(xué)檢測等還能提供良好的工藝控制信息。

3 結(jié)論

隨著電子封裝越來越趨于向更快、更小、更便宜的方向發(fā)展，要求縮小尺寸、增加性能的同時，必須降低成本。倒裝芯片技術(shù)正是為了適應(yīng)這種趨勢而產(chǎn)生的。目前全球很多家公司正在研究并開發(fā)倒裝芯片技術(shù)，為推動倒裝芯片技術(shù)的發(fā)展貢獻著自己的力量。

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