Flip Chip技术概述

引言

翻转芯片(Flip Chip)技术是半导体行业中重要的封装方法，具有高性能、小型化和改善电气特性等优势。本文概述了翻转芯片技术，涵盖了晶圆凸块、封装基板、组装工艺和可靠性考虑等关键方面[1]。

翻转芯片简介

翻转芯片技术涉及使用各种互连材料和方法将半导体芯片正面朝下直接连接到基板或另一个芯片上。图1展示了典型翻转芯片组装的关键元素。

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图1：翻转芯片技术的关键元素，包括晶圆凸块、切割、组装和底填。

翻转芯片方法最初由IBM在1960年代引入。如今，在需要高I/O密度和性能的处理器、ASIC、存储器和其他应用中广泛使用。

晶圆凸块

晶圆凸块是翻转芯片技术中的关键步骤。两种常见方法是：

1. 模板印刷

在晶圆上进行锡膏模板印刷是一种成本效益高且产量高的方法，但限于较粗的间距（>120 μm）。该过程包括：

• 设计与焊盘布局匹配的模板孔

• 通过模板将锡膏印刷到晶圆焊盘上

• 回流焊锡形成凸块

图2展示了一项研究中使用的模板设计。

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图2：用于晶圆凸块研究的四种不同孔形/尺寸的模板设计。

2. 电镀

电镀允许更精细间距的凸块。该过程通常包括：

• 溅射底部金属层（UBM）

• 光刻胶图形化

• 电镀铜柱和/或焊料

• 去除光刻胶和蚀刻UBM

• 回流焊料

图3说明了C4（受控塌陷芯片连接）凸块的电镀过程。

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图3：使用电镀的C4凸块晶圆凸块工艺流程。

C4与C2凸块对比

两种常见的凸块类型是：

• C4凸块：焊料凸块，回流后通常呈球形

• C2凸块：带焊料帽的铜柱凸块

图4比较了C4和C2凸块。

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图4：C4焊料凸块和C2铜柱凸块的比较。

C2凸块在更精细的间距和改善电气/热性能方面具有优势，这得益于铜柱。

翻转芯片封装基板

翻转芯片封装使用各种基板技术：

1. 有机积层基板

多层有机基板带有积层和微通孔，广泛使用。图5展示了典型积层基板结构。

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图5：IBM的表面层压线路（SLC）技术用于翻转芯片有机积层基板。

2. 无芯基板

消除芯可提供更好的电气性能和减少厚度。图6比较了传统和无芯基板。

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图6：带芯的传统积层基板（上）和无芯基板（下）的比较。

3. 凸块直接连接导线（BOL）

BOL通过将凸块直接连接到基板导线来改善布线密度。图7说明了BOL概念。

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图7：凸块直接连接导线（BOL）基板设计：(a) 传统凸块连接焊盘，(b) BOL概念，(c) 改进的BOL结构。

4. 嵌入式走线基板（ETS）

ETS将细线走线嵌入基板，实现更高的布线密度。图8展示了ETS概念和工艺流程。

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图8：(a) 制造嵌入式走线基板（ETS）的工艺流程，(b) C2凸块翻转芯片在ETS组装上的结构。

5. 积层基板上的薄膜层

在积层基板上添加薄膜重布线层可实现超细间距布线。图9展示了新光的i-THOP基板技术。

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图9：(a) 新光的i-THOP翻转芯片封装基板，在积层上方有薄膜层，(b) 在1-2-2积层基板上有两层薄膜层的测试载体。

6. 扇出重布线层基板

扇出晶圆级封装（FOWLP）使用带有嵌入芯片和重布线层的重构晶圆。图10展示了典型的FOWLP结构。

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图10：(a) 扇出晶圆级封装结构，(b) 重布线层横截面，(c) 重布线层俯视图。

7. 硅通孔（TSV）中介层

硅通孔中介层可为2.5D集成实现高密度互连。图11展示了被动TSV中介层的例子。

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图11：使用被动TSV中介层的2.5D IC集成。

8. 硅桥

嵌入式硅桥为芯片间连接提供了全TSV中介层的替代方案。图12展示了英特尔的EMIB技术。

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图12：英特尔的嵌入式多芯片互连桥（EMIB）概念。

翻转芯片组装

主要的翻转芯片组装方法包括：

1. 批量回流

使用助焊剂和回流的C4凸块传统方法。图13a说明了该过程。

2. 热压焊（TCB）

TCB同时施加力和热。可用于：

• C4/C2凸块的低压力和回流（图13b）

• C2凸块的高压力，配合预涂底填（图13c,d）

3. 混合键合

室温下直接Cu-Cu键合，实现超细间距（图13e）。

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图13：翻转芯片组装工艺：(a) 批量回流，(b) 低压力TCB，(c) 带NCP的高压力TCB，(d) 带NCF的高压力TCB，(e) 混合键合。

底填

底填对翻转芯片可靠性很重要，特别是在有机基板上。两种主要的底填方法是：

1.组装后底填

• 毛细底填（CUF）：组装后分配，通过毛细作用流入芯片下方。

• 模塑底填（MUF）：使用改性模塑料一步完成底填和封装。

2.组装前底填

• 无流动底填（NUF）：在芯片放置和回流前涂抹。

• 非导电浆料（NCP）：用于TCB，在键合过程中固化。

• 非导电膜（NCF）：薄膜覆盖在晶圆或基板上，用于TCB。

图14说明了模塑底填概念。

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图14：模塑底填（MUF）过程和挑战。

底填表征

正确选择和表征底填材料非常重要。需要评估的关键性能包括：

1. 固化条件：使用差示扫描量热法（DSC）确定。

2. 热膨胀系数（CTE）：使用热机械分析（TMA）测量。

3. 玻璃化转变温度（Tg）：从TMA或动态机械分析（DMA）获得。

4. 储能模量：使用DMA测量。

5. 吸湿率：使用热重分析（TGA）确定。

6. 流动率：在实际翻转芯片组装中评估。

7. 粘合强度：通过芯片剪切测试评估。

图15展示了底填材料的典型DMA结果，包括储能模量和正切δ。

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图15：底填材料的典型储能模量和正切δ曲线。

底填模板印刷

一种新的高产量底填应用方法涉及模板印刷。该方法的关键方面包括：

1. 模板设计：每个芯片使用一个小矩形开口，干膜具有更大的开口。

2. 印刷过程：通过模板将底填印刷到每个芯片的一个边缘。

3. 毛细流动：印刷后，加热组件使底填流入芯片下方。

图16说明了底填应用的模板印刷概念。

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图16：底填模板印刷过程：(a) 印刷前，(b) 印刷中，(c) 印刷后，(d) 毛细流动后。

实验结果表明，这种方法可以实现无空隙底填，并具有良好的粘合强度。图17展示了模板印刷底填组件的横截面。

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图17：有机基板上翻转芯片模板印刷底填的横截面。

结论

翻转芯片技术不断发展，以满足先进封装应用的需求。了解晶圆凸块、基板技术、组装方法和底填工艺的各个方面对成功实施非常重要。随着间距要求变得更精细，性能需求增加，材料和工艺的新创新将推动翻转芯片封装的未来发展。

参考文献

[1] J. H. Lau, "Flip Chip Technology," in Flip Chip, Hybrid Bonding, Fan-In, and Fan-Out Technology. Singapore: Springer Nature Singapore Pte Ltd., 2024, ch. 1, pp. 1-75.

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