微電子技術(shù)之倒裝芯片技術(shù)

微電子技術(shù)之倒裝芯片技術(shù)倒裝芯片是一種無引腳結(jié)構(gòu)，一般含有電路單元。設(shè)計(jì)用于通過適當(dāng)數(shù)量的位于其面上的錫球（導(dǎo)電性粘合劑所覆蓋），在電氣上和機(jī)械上連接于電路。在微電子領(lǐng)域中起著重要的作用，是微電子大家庭中不可缺少的一員。倒裝芯片英文名為Flipchip。其起源于60年代，由IBM率先研發(fā)出,具體原理是在I/Opad上沉積錫鉛球，然后將芯片翻轉(zhuǎn)加熱利用熔融的錫鉛球與陶瓷板相結(jié)合，此技術(shù)已替換常規(guī)的打線接合，逐漸成為未來封裝潮流。FlipChip既是一種芯片互連技術(shù)，又是一種理想的芯片粘接技術(shù)?早在30年前IBM公司已研發(fā)使用了這項(xiàng)技術(shù)。但直到近幾年來,Flip-Chip已成為高端器件及高密度封裝領(lǐng)域中經(jīng)常采用的封裝形式。今天，F(xiàn)lip-Chip封裝技術(shù)的應(yīng)用范圍日益廣泛，封裝形式更趨多樣化，對(duì)Flip-Chip封裝技術(shù)的要求也隨之提高。同時(shí)，F(xiàn)lip-Chip也向制造者提出了一系列新的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，為這項(xiàng)復(fù)雜的技術(shù)提供封裝，組裝及測試的可靠支持。以往的一級(jí)封閉技術(shù)都是將芯片的有源區(qū)面朝上，背對(duì)基板和貼后鍵合，如引線健合和載帶自動(dòng)健全（TAB）。FC則將芯片有源區(qū)面對(duì)基板，通過芯片上呈陣列排列的焊料凸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)芯片與襯底的互連.硅片直接以倒扣方式安裝到PCB從硅片向四周引出I/O,互聯(lián)的長度大大縮短，減小了RC延遲，有效地提高了電性能.顯然，這種芯片互連方式能提供更高的I/O密度?倒裝占有面積幾乎與芯片大小一致?在所有表面安裝技術(shù)中，倒裝芯片可以達(dá)到最小、最薄的封裝。其次倒裝芯片技術(shù)是芯片以凸點(diǎn)陣列結(jié)構(gòu)與基板直接安裝互連的一種方法。不僅如此倒裝芯片是在在I/Opad上沉積錫鉛球，然后將芯片翻轉(zhuǎn)加熱利用熔融的錫鉛球與陶瓷機(jī)板相結(jié)合此技術(shù)替換常規(guī)打線接合，逐漸成為未來的封裝主流，當(dāng)前主要應(yīng)用于高時(shí)脈的CPU、GPU（GraphicProcessorUnit）及Chipset等產(chǎn)品為主。與COB相比，該封裝形式的芯片結(jié)構(gòu)和I/O端（錫球）方向朝下，由于I/O引出端分布于整個(gè)芯片表面，故在封裝密度和處理速度上Flipchip已達(dá)到頂峰，特別是它可以采用類似SMT技術(shù)的手段來加工，因此是芯片封裝技術(shù)及高密度安裝的最終方向。倒裝芯片連接有三種主要類型C4、DCA和FCAA，它們分別是ControlledCollapseChipConnection、Directchipattach和FlipChipAdhesiveAttachement的縮寫。而C4是類似超細(xì)間距BGA的一種形式與硅片連接的焊球陣列一般的間距為0.23、0.254mm。焊球直徑為0.102、0.127mm。焊球組份為97Pb/3Sn。這些焊球在硅片上可以呈完全分布或部分分布。C4在工廠中起著非常重要的作用。由于陶瓷可以承受較高的回流溫度，因此C4在陶瓷制作品方面常被用來作為連接的基材。通常是在陶瓷的表面上預(yù)先分布有鍍Au或Sn的連接盤，然后進(jìn)行C4形式的倒裝片連接。對(duì)于這么重要的C4來說，有著以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：首先具有優(yōu)良的電性能和熱特性其次在中等焊球間距的情況下，I/O數(shù)可以很高再其次C4不受焊盤尺寸的限制，這點(diǎn)有著非常重要的作用，不僅如此它還可以適于批量生產(chǎn)因此可大大減小尺寸和重量。而對(duì)于DCA來說，DCA和C4類似是一種超細(xì)間距連接。DCA的硅片和C4連接中的硅片結(jié)構(gòu)相同，兩者之間的唯一區(qū)別在于基材的選擇。DCA采用的基材是典型的印制材料。DCA的焊球組份是97Pb/Sn，連接焊接盤上的焊料是共晶焊料（37Pb/63Sn）。對(duì)于DCA由于間距僅為0.203、0.254mm共晶焊料漏印到連接焊盤上相當(dāng)困難，所以取代焊膏漏印這種方式，在組裝前給連接焊盤頂鍍上鉛錫焊料，焊盤上的焊料體積要求十分嚴(yán)格，通常要比其它超細(xì)間距元件所用的焊料多。在連接焊盤上0.051、0.102mm厚的焊料由于是預(yù)鍍的，一般略呈圓頂狀，必須要在貼片前整平，否則會(huì)影響焊球和焊盤的可靠對(duì)位。但是FCAA連接同樣存在多種形式，當(dāng)前仍處于初期開發(fā)階段。硅片與基材之間的連接不采用焊料，而是用膠來代替。這種連接中的硅片底部可以有焊球，也可以采用焊料凸點(diǎn)等結(jié)構(gòu)。FCAA所用的膠包括各向同性和各向異性等多種類型，主要取決于實(shí)際應(yīng)用中的連接狀況，另外，基材的選用通常有陶瓷，印刷板材料和柔性電路板。倒裝芯片技術(shù)是當(dāng)今最先進(jìn)的微電子封裝技術(shù)之一。它將電路組裝密度提升到了一個(gè)新高度，隨著21世紀(jì)電子產(chǎn)品體積的進(jìn)一步縮小，倒裝芯片的應(yīng)用將會(huì)越來越廣泛。倒裝芯片封裝技術(shù)與傳統(tǒng)的引線鍵合工藝相比具有許多明顯的優(yōu)點(diǎn)。倒裝芯片的尺寸小，小的IC引腳圖形，只有扁平封裝的5%,大大減少了封裝高度和重量；其功能增強(qiáng)了，使用倒裝芯片能增加I/O的數(shù)量。面陣列使得在更小的空間里進(jìn)行更多信號(hào)、功率以及電源等的互連。一般的倒裝芯片上凸點(diǎn)的數(shù)量可達(dá)400個(gè)；不僅僅是功能，其性能也增強(qiáng)了斷的的互連減少了電感、電阻以及電容，使得信號(hào)延遲減少、具有較好的高頻率特性，晶片背面也有較好的散熱通道；而且在提高了散熱能力的同時(shí)，運(yùn)用倒裝芯片沒有塑封，芯片背面可進(jìn)行有效的冷卻的方法來散熱，也提高了可靠性，打新盤的環(huán)氧樹脂底部填充工藝確保了高可靠性，使得倒裝芯片減少了2/3的互連引腳數(shù)。對(duì)于倒裝芯片的特點(diǎn)來說，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這些，倒裝芯片技術(shù)與表面貼裝技術(shù)相兼容，可同時(shí)完成貼裝與焊接，致使有了超低的成本等等其他特點(diǎn)。倒裝封裝技術(shù)的熱學(xué)性能明顯優(yōu)越于常規(guī)使用的引線鍵合工藝。如今許多電子器件；ASIC，微處理器，SOC等封裝耗散功率10-25W,甚至更大。而增強(qiáng)散熱型引線鍵合的BGA器件的耗散功率僅5-10W。按照工作條件，散熱要求（最大結(jié)溫），環(huán)境溫度及空氣流量，封裝參數(shù)（如使用外裝熱沉，封裝及尺寸，基板層數(shù)，球引腳數(shù)）等，相比之下，倒裝封裝通常能產(chǎn)生25W耗散功率。封裝芯片杰出的熱學(xué)性能是由低熱阻的散熱盤及結(jié)構(gòu)決定的。芯片產(chǎn)生的熱量通過散熱球腳，內(nèi)部及外部的熱沉實(shí)現(xiàn)熱量耗散。散熱盤與芯片面的緊密接觸得到低的結(jié)溫。為減少散熱盤與芯片間的熱阻，在兩者之間使用高導(dǎo)熱膠體。使得封裝內(nèi)熱量更容易耗散。為更進(jìn)一步改進(jìn)散熱性能，外部熱沉可直接安裝在散熱盤上，以獲得封裝低的結(jié)溫。倒裝封裝芯片另一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是電學(xué)性能。引線鍵合工藝已成為高頻及某些應(yīng)用的瓶頸，使用倒裝芯片封裝技術(shù)改進(jìn)了電學(xué)性能。如今許多電子器件工作在高頻，因此信號(hào)的完整性是一個(gè)重要因素。在過去，2-3GHZ是IC封裝的頻率上限，F(xiàn)lip-Chip封裝根據(jù)使用的基板技術(shù)可高達(dá)10-40GHZ。倒裝芯片在不斷的進(jìn)化，下一步的演進(jìn)方向是芯片在插入層或者疊層芯片上的3-D集成。有人還指出，帶有穿透硅通孔（TSV）的芯片和晶圓減薄，以及超窄節(jié)距（50um）的新型Cu/Cu和銅柱互連都在開發(fā)中。此外為了滿足先進(jìn)微處理器日益增長的功率密度要求，他們相信，疊層芯片方法將會(huì)在散熱管理上帶來很大挑戰(zhàn)。封裝技術(shù)還持續(xù)地推動(dòng)著材料科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展。盡管人們認(rèn)為碳納米管（CNT）互連還需要一些年的時(shí)間，但在近期，很可能采用納米材料作為芯片下填充料、導(dǎo)熱材料和多層復(fù)合基板的填充物。在材料沉積領(lǐng)域也有一些新趨勢出現(xiàn)。除了C4NP，在形成倒裝芯片互連時(shí)，還可以采用傳統(tǒng)BGA所使用的'下投焊球'的方法。起初，采用微凸點(diǎn)的TSV互連將會(huì)促進(jìn)倒裝芯片的使用，它們與倒裝芯片不同，但是在同一陣營，繼續(xù)前進(jìn)的話，可能會(huì)出現(xiàn)更好的芯片鍵合技術(shù)。之后TSV本身可能會(huì)被看作是一種互連。倒裝芯片可能逐漸被其他方法所取代。一種可能是將TSV作為互連，另一種可能是扇出型晶圓級(jí)封裝（FOWLP），也被稱為先芯片封裝（chips-firstpackaging）。TSV可能最終會(huì)取代倒裝芯片。倒裝芯片也是下一代3-DIC架構(gòu)的關(guān)鍵互連技術(shù)。互連和封裝技術(shù)的壽命周期非常長，到現(xiàn)在，即便倒裝芯片應(yīng)用和技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得非常迅速了，還有大量的DIP（通孔互連）封裝存在?；厥?5年前，幾乎所有SMT貼片加工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。在從SMT加工手機(jī)和尋呼機(jī)到MP3播放器和數(shù)碼相機(jī)的所有熱門的消費(fèi)類電子產(chǎn)品中，幾乎都能找到倒裝芯片封裝。在服務(wù)器中，近乎所有的邏輯模塊都采用倒裝芯片封裝。大部分AS