【正文】 華中科技大學(xué)材料學(xué)院連接與電子封裝中心 2023/1/13 Prof. Wu Fengshun, 1 電子制造技術(shù)基礎(chǔ) 吳豐順 博士 /教授 武漢光電國家實驗室 光電材料與微納制造部 華中科技大學(xué)材料學(xué)院 華中科技大學(xué)材料學(xué)院連接與電子封裝中心 2023/1/13 Prof. Wu Fengshun, 2 倒裝芯片 (Flip Chip)技術(shù) 華中科技大學(xué)材料學(xué)院連接與電子封裝中心 2023/1/13 Prof. Wu Fengshun, 3 第一部分 倒裝芯片簡介 華中科技大學(xué)材料學(xué)院連接與電子封裝中心 2023/1/13 Prof. Wu Fengshun, 4 倒裝芯片示意圖 在典型的倒裝芯片封裝中 , 芯片通過 3到 5個密耳(mil)厚的焊料凸點連接到芯片載體上，底部填充材料用來保護(hù)焊料凸點 . 華中科技大學(xué)材料學(xué)院連接與電子封裝中心 2023/1/13 Prof. Wu Fengshun, 5 什么是倒裝芯片？ 倒裝芯片組裝就是通過芯片上的凸點直接將元器件朝下互連到基板、載體或者電路板上。而導(dǎo)線鍵合是將芯片的面朝上。 倒裝芯片元件是主要用于半導(dǎo)體設(shè)備；而有些元件，如無源濾波器，探測天線，存儲器裝備也開始使用倒裝芯片技術(shù)，由于芯片直接通過凸點直接連接基板和載體上，因此，更確切的說，倒裝芯片也叫 DCA （ Direct Chip Attach ）。 華中科技大學(xué)材料學(xué)院連接與電子封裝中心 2023/1/13 Prof. Wu Fengshun, 6 三種晶片級互連方法 華中科技大學(xué)材料學(xué)院連接與電子封裝中心 2023/1/13 Prof. Wu Fengshun, 7 倒裝芯片歷史 1. IBM1960年研制開發(fā)出在芯片上制作凸點的倒裝芯片焊接工藝技術(shù)。 95Pb5Sn凸點包圍著電鍍 NiAu的銅球。后來制作PbSn凸點，使用可控塌焊連接（ Controlled collapse Component Connection, C4），無銅球包圍。 2. Philoc－ ford等公司制作出 Ag－ Sn凸點 3. Fairchield—— Al凸點 4. Amelco—— Au凸點 5. 目前全世界的倒裝芯片消耗量超過年 60萬片，且以約 50％的速度增長， 3％的圓片用于倒裝芯片凸點。幾年后可望超過20％。 華中科技大學(xué)材料學(xué)院連接與電子封裝中心 2023/1/13 Prof. Wu Fengshun, 8 為什么使用倒裝芯片 ? 倒裝芯片技術(shù)的興起是由于與其他的技術(shù)相比，在尺寸、外觀、柔性、可靠性、以及成本等方面有很大的優(yōu)勢。今天倒裝芯片廣泛用于電子表，手機(jī)，便攜機(jī) ，磁盤、耳機(jī)， LCD以及大型機(jī)等各種電子產(chǎn)品上。 華中科技大學(xué)材料學(xué)院連接與電子封裝中心 2023/1/13 Prof. Wu Fengshun, 9 優(yōu)點－ 01 ? 小尺寸 : 小的 IC引腳圖形 (只有扁平封裝的 5％）減小了高度和重量。 ? 功能增強(qiáng) : 使用倒裝芯片能增加 I/O 的數(shù)量。 I/O 不像導(dǎo)線鍵合中出于四周而收到數(shù)量的限制。面陣列使得在更小的空間里進(jìn)行更多信號、功率以及電源等地互連。一般的倒裝芯片焊盤可達(dá) 400個。 華中科技大學(xué)材料學(xué)院連接與電子封裝中心 2023/1/13 Prof. Wu Fengshun, 10 優(yōu)點－ 02 ? 性能增加 : 短的互連減小了電感、電阻以及電容，保證了信號延遲減少、較好的高頻率、以及從晶片背面較好的熱通道。 ? 提高了可靠性 : 大芯片的環(huán)氧填充確保了高可靠性。 倒裝芯片可減少三分之二的互連引腳數(shù)。 ? 提高了散熱熱能力： 倒裝芯片沒有塑封，芯片背面可進(jìn)行有效的冷卻。 ? 低成本： 批量的凸點降低了成本。 華中科技大學(xué)材料學(xué)院連接與電子封裝中心 2023/1/13 Prof. Wu Fengshun, 11 I/O 數(shù)比較 倒裝芯片與扁平封裝的引腳數(shù)比較 華中科技大學(xué)材料學(xué)院連接與電子封裝中心 2023/1/13 Prof. Wu Fengshun, 12 信號效果比較 華中科技大學(xué)材料學(xué)院連接與電子封裝中心 2023/1/13 Prof. Wu Fengshun, 13 缺點－ 01 ? 裸芯片很難測試 ? 凸點芯片適應(yīng)性有限 ? 隨著間距地減小和引腳數(shù)的增多導(dǎo)致 PCB技術(shù)面臨挑戰(zhàn) ? 必須使用 X射線檢測設(shè)備檢測不可見的焊點 ? 和 SMT工藝相容性較差 華中科技大學(xué)材料學(xué)院連接與電子封裝中心 2023/1/13 Prof. Wu Fengshun, 14 缺點－ 02 ? 操作夾持裸晶片比較困難 ? 要求很高的組裝精度 ? 目前使用底部填充要求一定的固化時間 ? 有些基板可靠性較低 ? 維修很困難或者不可能 華中科技大學(xué)材料學(xué)院連接與電子封裝中心 2023/1/13 Prof. Wu Fengshun, 15 倒裝芯片工藝概述 主要工藝步驟： 第一步： 凸點底部金屬化 (UBM) 第二步：芯片凸點 第三步：將已經(jīng)凸點的晶片組裝到基板／板卡上 第四步：使用非導(dǎo)電材料填充芯片底部孔隙 華中科技大學(xué)材料學(xué)院連接與電子封裝中心 2023/1/13 Prof. Wu Fengshun, 16 第一步：凸點下金屬化 （ UBM， under bump metallization） 華中科技大學(xué)材料學(xué)院連接與電子封裝中心 2023/1/13 Prof. Wu Fengshun, 17 第二步 : 回流形成凸點 華中科技大學(xué)材料學(xué)院連接與電子封裝中心 2023/1/13 Prof. Wu Fengshun, 18 第三步：倒裝芯片組裝 華中科技大學(xué)材料學(xué)院連接與電子封裝中心 2023/1/13 Prof. Wu Fengshun, 19 第四步：底部填充與固化 華中科技大學(xué)材料學(xué)院連接與電子封裝中心 2023/1/13 Prof. Wu Fengshun, 20 不同的倒裝芯片焊點 華中科技大學(xué)材料學(xué)院連接與電子封裝中心 2023/1/13 Prof. Wu Fengshun, 21 底部填充與否 有各種不同的倒裝芯片互連工藝，但是其結(jié)構(gòu)基本特點都是芯片面朝下，而連接則使用金屬凸點。而最終差別就是使用底部填充與否。 華中科技大學(xué)材料學(xué)院連接與電子封裝中心 2023/1/13 Prof. Wu Fengshun, 22 不同的倒裝芯片連接方法 1. 焊料焊接 3. 熱聲焊接 4. 粘膠連接 華中科技大學(xué)材料學(xué)院連接與電子封裝中心 2023/1/13 Prof. Wu Fengshun, 23 CoffinManson 低周疲勞模型 華中科技大學(xué)材料學(xué)院連接與電子封裝中心 2023/1/13 Prof. Wu Fengshun, 24 由此模型可知： ? 更高的焊點高度 ? 更小的晶片 ? 器件與基板的熱膨脹系數(shù) （ Coefficient of Thermal Expansion, CTE） 相配 ? 小的工作溫度變化范圍 要提高可靠性必須要求： 華中科技大學(xué)材料學(xué)院連接與電子封裝中心 2023/1/13 Prof. Wu Fengshun, 25 倒裝芯片工藝：通過焊料焊接－ 01 焊料沉積在基板焊盤上： 對于細(xì)間距連接，焊料通過電鍍、焊料濺射或者 固體焊料等沉積方法。 很粘的焊劑可通過直接涂覆到基板上或者用芯片凸 點浸入的方法來保證粘附。 對于加大的間距（ mm ），可用模板印刷焊膏。 華中科技大學(xué)材料學(xué)院連接與電子封裝中心 2023/1/13 Prof. Wu Fengshun, 26 回流焊接： 芯片凸點放置于沉積了焊膏或者焊劑的焊盤上，整個 基板浸入再流焊爐。 清洗 ： 焊劑殘留。 測試： 由于固化后不能維修，所以在填充前要進(jìn)行測試。 底部填充： 通過擠壓將低粘度的環(huán)氧類物質(zhì)填充到芯片底部，然 后加熱固化。 倒裝芯片工藝：通過焊料焊接 － 02 華中科技大學(xué)材料學(xué)院連接與電子封裝中心 2023/1/13 Prof. Wu Fengshun, 27 步驟示意圖 華中科技大學(xué)材料學(xué)院連接與電子封裝中心 2023/1/13 Prof. Wu Fengshun, 28 底部填充示意圖 華中科技大學(xué)材料學(xué)院連接與電子封裝中心 2023/1/13 Prof. Wu Fengshun, 29 倒裝芯片工藝－通過熱壓焊接 在熱壓連接工藝中，芯片的凸點是通過加熱、加壓的方法連接到基板的焊盤上。該工藝要求芯片或者基板上的凸點為金凸點，同時還要有一個可與凸點連接的表面，如金或鋁。對于金凸點，一般連接溫度在 300 176。 C 左右，這樣才能是材料充分軟化，同時促進(jìn)連接過程中的擴(kuò)散作用。 華中科技大學(xué)材料學(xué)院連接與電子封裝中心 2023/1/13 Prof. Wu Fengshun, 30 熱壓和熱聲倒裝芯片連接原理示意圖 熱壓與熱聲倒裝芯片示意圖 華中科技大學(xué)材料學(xué)院連接與電子封裝中心 2023/1/13 Prof. Wu Fengshun, 31 基板金屬化 基板上的焊盤必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)亟饘倩?，例如鍍金，以便于實現(xiàn)連接。另外，基板應(yīng)該非常平整。 華中科技大學(xué)材料學(xué)院連接與電子封裝中心 2023/1/13 Prof. Wu Fengshun, 32 凸點 熱壓倒裝芯片連接最合適的凸點材料是金，凸點可以通過傳統(tǒng)的電解鍍金方法生成，或者采用釘頭凸點方法，后者就是引線鍵合技術(shù)中常用的凸點形成工藝。由于可以采用現(xiàn)成的引線鍵合設(shè)備，因此無需配備昂貴的凸點加工設(shè)備，金引線中應(yīng)該加入 1% 的 Pd ，這樣便于卡斷凸點上部的引線。凸點形成過程中，晶圓或者基板應(yīng)該預(yù)熱到 150～ 200176。 C。 華中科技大學(xué)材料學(xué)院連接與電子封裝中心 2023/1/13 Prof. Wu Fengshun, 33 釘頭金凸點 SBB（ Stud Bond Bump） 華中科技大學(xué)材料學(xué)院連接與電子封裝中心 2023/1/13 Prof. Wu Fengshun, 34 釘頭金凸點制作 Gold wire Gold ball Coining (level) Wire breaking Ball bonding Gold stud Gold stud bump 華中科技大學(xué)材料學(xué)院連接與電子封裝中心 2023/1/13 Prof. Wu Fengshun, 35 Coining (level) Flat tail bump Raised cross bump Crossed slots bump Variation Stacked bump 釘頭金凸點制作 華中科技大學(xué)材料學(xué)院連接與電子封裝中心 2023/1/13 Prof. Wu Fengshun, 36 若干問題 在某些情況下，如顯示器中的玻璃上芯片 (chiponglass， COG)，采用焊接連接并不是最合適的選擇，而應(yīng)該考慮采用其它替代方法。大多數(shù)不采用焊接的倒裝芯片技術(shù)中，芯片是采用導(dǎo)電膠或者熱壓、熱聲的方法連接到基板上的。這些方法的優(yōu)點是： ? 簡單，無需使用焊劑 ? 工藝溫度低 ? 可以實現(xiàn)細(xì)間距連接 華中科技大學(xué)材料學(xué)院連接與電子封裝中心 2023/1/13 Prof. Wu Fengshun, 37 若干問題 對于直徑為 80mm的凸點， 熱壓壓力可以達(dá)到 1N。由于壓力較大，溫度也較高，這種工藝僅適用于剛性基底，如氧化鋁或硅。另外，基板必須保證較高的平整度，熱壓頭也要有較高的平行對準(zhǔn)精度。為了避免半導(dǎo)體材料受到不必要的損害，施加壓力時應(yīng)該有一定的梯度。 華中科技大學(xué)材料學(xué)院連接與電子封裝中心 2023/1/13 Prof. Wu Fengshun, 38 與一般的焊點連接一樣 ， 熱壓倒裝芯片連接的可靠性也要受到基板與芯片的熱膨脹系數(shù) (CTE)失配的影響 ， 此外焊點的高度 、 焊點之間的最大間距亦會對可靠性造成影響 。 連接區(qū)的裂紋多是在從連接溫度冷卻下來的過程中產(chǎn)生的 。 可靠性 華中科技大學(xué)材料學(xué)院連接與電子封裝中心 2023/1/13 Prof. Wu Fengshun, 39 由于金的熔點溫度高，因此它對疲勞損傷的敏感程度遠(yuǎn)小于焊料。因此，如果在熱循環(huán)中應(yīng)力沒有超過凸點與焊盤之間的連接強(qiáng)度，那么可靠性不會存在太大問題。 芯片與基底之間的底部填充材料使連接抵抗熱疲勞的性能顯著提高，如果沒有底部填充，則熱疲勞將是倒裝芯片主要的可靠性問題。 可靠性 華中科技大學(xué)材料學(xué)院連接與電子封裝中心 2023/1/13 Prof. Wu Fengshun, 4