倒装芯片技术

华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2019/8/19Prof.WuFengshun,[e-mail]1电子制造技术基础吴丰顺博士/教授武汉光电国家实验室光电材料与微纳制造部华中科技大学材料学院华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2019/8/19Prof.WuFengshun,[e-mail]2倒装芯片(FlipChip)技术华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2019/8/19Prof.WuFengshun,[e-mail]3第一部分倒装芯片简介华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2019/8/19Prof.WuFengshun,[e-mail]4倒装芯片示意图在典型的倒装芯片封装中,芯片通过3到5个密耳(mil)厚的焊料凸点连接到芯片载体上，底部填充材料用来保护焊料凸点.华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2019/8/19Prof.WuFengshun,[e-mail]5什么是倒装芯片？倒装芯片组装就是通过芯片上的凸点直接将元器件朝下互连到基板、载体或者电路板上。而导线键合是将芯片的面朝上。倒装芯片元件是主要用于半导体设备；而有些元件，如无源滤波器，探测天线，存储器装备也开始使用倒装芯片技术，由于芯片直接通过凸点直接连接基板和载体上，因此，更确切的说，倒装芯片也叫DCA（DirectChipAttach）。华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2019/8/19Prof.WuFengshun,[e-mail]6三种晶片级互连方法华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2019/8/19Prof.WuFengshun,[e-mail]7倒装芯片历史1.IBM1960年研制开发出在芯片上制作凸点的倒装芯片焊接工艺技术。95Pb5Sn凸点包围着电镀NiAu的铜球。后来制作PbSn凸点，使用可控塌焊连接（ControlledcollapseComponentConnection,C4），无铜球包围。2.Philoc－ford等公司制作出Ag－Sn凸点3.Fairchield——Al凸点4.Amelco——Au凸点5.目前全世界的倒装芯片消耗量超过年60万片，且以约50％的速度增长，3％的圆片用于倒装芯片凸点。几年后可望超过20％。华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2019/8/19Prof.WuFengshun,[e-mail]8为什么使用倒装芯片?倒装芯片技术的兴起是由于与其他的技术相比，在尺寸、外观、柔性、可靠性、以及成本等方面有很大的优势。今天倒装芯片广泛用于电子表，手机，便携机，磁盘、耳机，LCD以及大型机等各种电子产品上。华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2019/8/19Prof.WuFengshun,[e-mail]9优点－01小尺寸:小的IC引脚图形(只有扁平封装的5％）减小了高度和重量。功能增强:使用倒装芯片能增加I/O的数量。I/O不像导线键合中出于四周而收到数量的限制。面阵列使得在更小的空间里进行更多信号、功率以及电源等地互连。一般的倒装芯片焊盘可达400个。华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2019/8/19Prof.WuFengshun,[e-mail]10优点－02性能增加:短的互连减小了电感、电阻以及电容，保证了信号延迟减少、较好的高频率、以及从晶片背面较好的热通道。提高了可靠性:大芯片的环氧填充确保了高可靠性。倒装芯片可减少三分之二的互连引脚数。提高了散热热能力：倒装芯片没有塑封，芯片背面可进行有效的冷却。低成本：批量的凸点降低了成本。华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2019/8/19Prof.WuFengshun,[e-mail]11I/O数比较倒装芯片与扁平封装的引脚数比较华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2019/8/19Prof.WuFengshun,[e-mail]12信号效果比较华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2019/8/19Prof.WuFengshun,[e-mail]13缺点－01裸芯片很难测试凸点芯片适应性有限随着间距地减小和引脚数的增多导致PCB技术面临挑战必须使用X射线检测设备检测不可见的焊点和SMT工艺相容性较差华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2019/8/19Prof.WuFengshun,[e-mail]14缺点－02操作夹持裸晶片比较困难要求很高的组装精度目前使用底部填充要求一定的固化时间有些基板可靠性较低维修很困难或者不可能华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2019/8/19Prof.WuFengshun,[e-mail]15倒装芯片工艺概述主要工艺步骤：第一步：凸点底部金属化(UBM)第二步：芯片凸点第三步：将已经凸点的晶片组装到基板／板卡上第四步：使用非导电材料填充芯片底部孔隙华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2019/8/19Prof.WuFengshun,[e-mail]16第一步：凸点下金属化（UBM，underbumpmetallization）华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2019/8/19Prof.WuFengshun,[e-mail]17第二步:回流形成凸点华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2019/8/19Prof.WuFengshun,[e-mail]18第三步：倒装芯片组装华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2019/8/19Prof.WuFengshun,[e-mail]19第四步：底部填充与固化华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2019/8/19Prof.WuFengshun,[e-mail]20不同的倒装芯片焊点华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2019/8/19Prof.WuFengshun,[e-mail]21底部填充与否有各种不同的倒装芯片互连工艺，但是其结构基本特点都是芯片面朝下，而连接则使用金属凸点。而最终差别就是使用底部填充与否。华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2019/8/19Prof.WuFengshun,[e-mail]22不同的倒装芯片连接方法1.焊料焊接2.热压焊接3.热声焊接4.粘胶连接华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2019/8/19Prof.WuFengshun,[e-mail]23Coffin-Manson低周疲劳模型华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2019/8/19Prof.WuFengshun,[e-mail]24由此模型可知：更高的焊点高度更小的晶片器件与基板的热膨胀系数（CoefficientofThermalExpansion,CTE）相配小的工作温度变化范围要提高可靠性必须要求：华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2019/8/19Prof.WuFengshun,[e-mail]25倒装芯片工艺：通过焊料焊接－01焊料沉积在基板焊盘上：对于细间距连接，焊料通过电镀、焊料溅射或者固体焊料等沉积方法。很粘的焊剂可通过直接涂覆到基板上或者用芯片凸点浸入的方法来保证粘附。对于加大的间距（0.4mm），可用模板印刷焊膏。华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2019/8/19Prof.WuFengshun,[e-mail]26回流焊接：芯片凸点放置于沉积了焊膏或者焊剂的焊盘上，整个基板浸入再流焊炉。清洗：焊剂残留。测试：由于固化后不能维修，所以在填充前要进行测试。底部填充：通过挤压将低粘度的环氧类物质填充到芯片底部，然后加热固化。倒装芯片工艺：通过焊料焊接－02华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2019/8/19Prof.WuFengshun,[e-mail]27步骤示意图华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2019/8/19Prof.WuFengshun,[e-mail]28底部填充示意图华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2019/8/19Prof.WuFengshun,[e-mail]29倒装芯片工艺－通过热压焊接在热压连接工艺中，芯片的凸点是通过加热、加压的方法连接到基板的焊盘上。该工艺要求芯片或者基板上的凸点为金凸点，同时还要有一个可与凸点连接的表面，如金或铝。对于金凸点，一般连接温度在300°C左右，这样才能是材料充分软化，同时促进连接过程中的扩散作用。华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2019/8/19Prof.WuFengshun,[e-mail]30热压和热声倒装芯片连接原理示意图热压与热声倒装芯片示意图华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2019/8/19Prof.WuFengshun,[e-mail]31基板金属化基板上的焊盘必须进行适当地金属化，例如镀金，以便于实现连接。另外，基板应该非常平整。华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2019/8/19Prof.WuFengshun,[e-mail]32凸点热压倒装芯片连接最合适的凸点材料是金，凸点可以通过传统的电解镀金方法生成，或者采用钉头凸点方法，后者就是引线键合技术中常用的凸点形成工艺。由于可以采用现成的引线键合设备，因此无需配备昂贵的凸点加工设备，金引线中应该加入1%的Pd，这样便于卡断凸点上部的引线。凸点形成过程中，晶圆或者基板应该预热到150～200°C。华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2019/8/19Prof.WuFengshun,[e-mail]33钉头金凸点SBB（StudBondBump）华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2019/8/19Prof.WuFengshun,[e-mail]34钉头金凸点制作GoldwireGoldballCoining(level)WirebreakingBallbondingGoldstudGoldstudbump华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2019/8/19Prof.WuFengshun,[e-mail]35Coining(level)FlattailbumpRaisedcrossbumpCrossedslotsbumpVariationStackedbump钉头金凸点制作华中科技大学材料学院连接与电子封装中心2019/8/19Prof.WuFengshun,[e-mail]36若干问题在某些情况下，如显示器中的玻璃上芯片(chip-on-glass，COG)，采用焊接连接并不是最合适的选择，而应该考虑采用其它替代方法。大多数不采用焊接的倒装芯片技