倒装芯片的奥秘揭晓：探讨其原理和发展趋势
发布时间：2023-08-25 09:59:49
来源：RF技术社区 (https://rf.eefocus.com)
半导体封装行业中的关键工艺之一是芯片粘接、引线键合和倒装连接。尤其引线键合和倒装连接是最常见的工艺，因为载带连接技术在封装领域已逐渐被淘汰。
倒装芯片技术通过将芯片上的凸点直接连接到基板、载体或电路板上，实现了元器件的倒装互连。而引线键合的连接方式是将芯片正面朝上，并使用引线（通常是金线）与线路板连接。
引线键合、载带连接和倒装连接各具特点，其中倒装连接因其结构紧凑且可靠性较高而得到广泛应用。
那么，什么是倒装芯片技术呢？
倒装芯片技术最早起源于IBM公司，他们在1960年研发了一种在芯片上制作凸点的倒装芯片焊接工艺。该工艺使用95Pb5Sn合金包围着电镀NiAu的凸球。后来，他们改用PbSn合金制作凸点，并采用可控塌焊连接（Controlled Collapse Component Connection, 简称C4技术）。这项技术最初是为IBM自家的大型计算机主机开发的一种高可靠性封装技术。使用C4芯片可以获得优秀的电学和热学性能，封装的疲劳寿命至少提高了10倍以上。
自IBM成功应用C4技术后，其他半导体公司对其进行了优化和升级，包括Fairchild公司研制了Al凸点技术，Amelco公司研制了Au凸点技术。
半导体封装技术从最早的QFP（Quad Flat Package方形扁平式）逐渐发展到BGA（Ball Grid Array球状引脚栅格阵列）封装，再到当前的CSP（Chip Scale Package晶圆级）封装。
随着半导体芯片体积的不断减小，对封装技术的要求也越来越高，封装技术正向晶圆级封装的方向发展。
传统上，对芯片进行封装时，通常是将晶圆切割成Die，并对每个Die进行封装。但随着封装技术的成熟，现在已经可以实现在晶圆上进行统一封装，然后再切割成更可靠的独立芯片。
倒装技术的成熟应用使得全球倒装芯片的消耗量每年超过60万片，并以约50%的速度增长。其中，约3%的晶圆用于倒装芯片凸点技术，预计几年后这个比例将超过20%。
倒装芯片主要用于半导体设备，一些元件如无源滤波器、探测天线和存储装置也开始采用倒装芯片技术。因为芯片可以直接通过凸点连接到基板和载体上。因此，更准确地说，倒装芯片也称为直接芯片连接（Direct Chip Attach, DCA）。在电子产品中，CPU和内存条等是最常见应用倒装芯片技术的器件。
在典型的倒装芯片封装中, 芯片通过3到5个密耳(1mil=25um)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。
倒装技术技术细节
在典型的倒装芯片封装过程中，芯片通过焊料凸点连接到芯片载体上，并使用填充材料保护焊料凸点。以下是关于倒装技术的一些技术细节：
1. 凸点下金属化（UBM，under bump metallization）
倒装连接的第一步是在芯片表面制作凸点技术。倒装连接的核心是将芯片上的凸点与基板上的凸点（凹槽）连接起来。在半导体表面金属化的过程中，有几种常见的方法：
溅射法：利用溅射技术在硅片上逐层沉积薄膜，然后使用照相平版技术形成所需的UBM图案，再通过刻蚀去除非图案部分。
蒸镀法：通过掩模，在硅片上逐层蒸镀金属。这种选择性的沉积可以形成所需的凸点。
化学镀法：采用化学镀的方法，在铝焊盘上选择性地镀上镍。通常采用锌酸盐工艺处理铝表面，无需真空设备和刻蚀设备，成本较低。
由于铝焊盘表面有一层氧化物，金属镀层无法粘附在氧化的表面上，因此需要适当处理铝表面以去除氧化层。通常采用锌酸盐处理（zincation）方法，在铝表面沉积一层锌，防止铝氧化。然而，镀锌过程中会腐蚀掉约0.3-0.4um的铝。镀锌后，再进行化学镀镍作为UBM的沉积材料，镍起到连接/扩散阻挡的作用。镍具有极小的扩散速率，并且几乎不与焊料发生反应，只与锡缓慢反应，非常适合作为共晶焊料的UBM金属。有时在部分倒装凸点的表面还会进行金镀，金具有良好的导电性和抗氧化性，可以提高倒装连接的可靠性。
2. 回流形成凸点
在半导体芯片表面完成凸点金属化后，通过回流炉将金属化部分形成倒装凸点。焊料凸点的形成可使用多种工艺，包括蒸镀焊料凸点、电镀焊料凸点、印刷焊料凸点、钉头焊料凸点、放球凸点和焊料转移凸点等。其中，电镀焊料和印刷焊料工艺是应用广泛的方法。
以上是对倒装芯片封装技术的一些关键步骤和细节介绍。通过倒装技术，可以实现芯片与载体的紧凑连接，并提供良好的电学和热学性能。这项技术在各种半导体设备中得到广泛应用，
凸点常用的材料是Pb/Sn合金，因为其回流焊特性好，适合工业化生产。
除了常见的Pb/Sn合金，凸点也有Au/Ni合金等凸点材料，为了保证可靠的互连，UBM必须与用于凸点的焊料合金相容。适合高铅的UBM不一定适合高锡焊料。例如Cu润湿层合适于含锡3-5%的高铅焊料，但是不适合于高锡焊料，因为Cu与Sn反应迅速而生成Sn-Cu金属间化合物。如果Cu被消耗完毕，焊料将与焊区不润湿。
化学镀UBM和丝网印刷工艺(Electroless UBM and Stencil Printing)是工业应用中低成本倒装焊凸点制备方法。
3、倒装芯片组装
倒装芯片组装是将完成凸点制作的芯片与载板进行倒装互联的工序。
其中，热压倒装技术是常用的连接方法。金被认为是最适合的凸点材料，可以通过传统的电解镀金方法或钉头凸点方法生成凸点，后者是引线键合技术中常用的凸点形成工艺。
对于热压倒装技术而言，由于需要施加较大的压力和较高的温度，因此该工艺仅适用于刚性基底材料，如氧化铝或硅。此外，基板必须具有较高的平整度，并且热压头需要具备良好的平行对准精度。为了避免半导体材料受到不必要的损害，在施加压力时需要适当考虑压力梯度。
4、底部填充与固化
在倒装连接完成后，为了增强倒装的稳定性，会使用填充胶对芯片与基板之间进行填充和固化：
底部填充材料的使用可以显著提高倒装连接的抗热疲劳性能。如果没有底部填充材料，热疲劳可能成为倒装芯片的主要可靠性问题。
底部填充材料的作用包括：
将集中的应力分散到芯片的塑封材料中。
阻止焊料蠕变，并增加倒装芯片连接的强度和刚度。
保护芯片免受环境因素（如湿气、离子污染等）的影响。
提高芯片的机械振动和冲击耐受能力。
总结一下倒装芯片技术，与常规的焊点连接类似，倒装芯片连接的可靠性也受到基板与芯片热膨胀系数（CTE）的失配影响。此外，焊点的高度以及焊点之间的最大间距也会对可靠性产生影响。连接区域的裂纹通常在从连接温度冷却下来的过程中产生。
由于金的熔点温度较高，相对于焊料而言，它对疲劳损伤的敏感度较低。因此，如果在热循环中的应力未超过凸点与焊盘之间的连接强度，那么可靠性就不会存在太大问题。
芯片与基底之间的底部填充材料使连接抵抗热疲劳的性能显著提高，如果没有底部填充，则热疲劳将是倒装芯片主要的可靠性问题。
倒装芯片组装非常适用于高频应用领域，因为在这种组装结构中，芯片与基底之间的连接通路非常短。倒装焊点的串连阻抗为1mW左右，串连电感为0.025nH，远小于引线键合中的5-10nH。
正是由于倒装芯片组装的这种优点，信号的传输时延可以显著降低。
倒装芯片技术的优点与缺点
倒装连接技术具有许多优点，同时也存在一些缺点。下面将对这些优点和缺点进行详细说明。
优点：
(a) 小尺寸：倒装连接技术可以减小芯片的高度和重量，因为它采用了较小尺寸的IC引脚图形，仅占扁平封装的5%左右。
(b) 功能增强：使用倒装芯片连接可以增加I/O的数量。相比于传统焊接方式，倒装芯片连接并不受到数量限制，可以在更小的空间内实现更多信号、功率和电源等互连。一般的倒装芯片焊盘数量可达400个。
(c) 性能提升：倒装连接技术通过缩短互连距离来减小电感、电阻和电容，从而降低信号延迟，实现更好的高频性能，并且能够有效利用晶片背面作为热通道。
(d) 提高可靠性：倒装芯片通过环氧填充确保了高可靠性。相较于其它互联方式，倒装芯片可以减少三分之二的互连引脚数。
(e) 提高散热能力：倒装芯片不采用塑封封装，这使得芯片背面可以进行有效的冷却，提高散热效果。
(f) 低成本：批量生产凸点芯片可以降低成本。
缺点：
(a) 裸芯片测试困难：倒装连接技术中使用的裸芯片难以进行常规测试，增加了测试的复杂性。
(b) 凸点芯片适应性有限：凸点芯片的适用范围相对较窄，无法适应所有种类的芯片。
(c) PCB技术挑战：随着倒装芯片引脚之间的距离缩小和引脚数量的增加，PCB技术面临更大的挑战。
(d) 检测困难：倒装连接需要使用X射线检测设备来检测不可见的焊点，增加了检测的复杂性。
(e) 与SMT工艺不兼容：倒装连接技术与表面贴装技术（SMT）的兼容性较差，制造过程中可能存在一些兼容性问题。
(f) 操作困难：夹持裸晶片进行倒装连接操作比较困难。
(g) 高组装精度要求：倒装芯片的组装过程对精度要求较高。
(h) 固化时间要求：目前使用底部填充材料需要一定的固化时间。
(i) 低可靠性基板：一些基板的可靠性相对较低，可能导致倒装连接的可靠性问题。
(j) 维修困难：倒装芯片的维修相对困难，有时甚至不可能进行修复。
倒装芯片技术的出现无疑是技术进步的重大突破，为电子设备的性能提升和体积缩小带来了革命性的改变。在未来的发展中，倒装芯片技术将继
倒装芯片的出现无疑是一场技术革命，它为电子设备性能的提升和体积的缩小带来了深远的影响。在未来，倒装芯片将继续引领科技创新的潮流，为我们的生活带来更多惊喜。无论您是电子爱好者还是普通用户，相信通过本文的介绍，您已经对倒装芯片有了更深入的了解。让我们期待倒装芯片为我们的科技世界带来更加辉煌的明天！
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