倒裝芯片器件封裝

會(huì)計(jì)學(xué)1倒裝芯片器件封裝倒裝芯片（FlipChip）1、發(fā)展歷史2、倒裝芯片的工藝過(guò)程3、發(fā)展趨勢(shì)第1頁(yè)/共47頁(yè)1.1什么是倒裝芯片器件封裝第2頁(yè)/共47頁(yè)倒裝芯片器件具有的特點(diǎn)1、基板是硅2、電氣面及焊凸在器件下表面3、球間距一般為4~14mil、球徑為2.5~8mil、外形尺寸為1~27mm4、組裝在基板上后需要做底部填充第3頁(yè)/共47頁(yè)第4頁(yè)/共47頁(yè)1.2倒裝芯片的優(yōu)點(diǎn)(1)尺寸小、薄，重量更輕；(2)密度更高，使用倒裝焊技術(shù)能增加單位面積內(nèi)的I／O數(shù)量；(3)性能提高，短的互連減小了電感，電阻以及電容，信號(hào)完整性、頻率特性更好；第5頁(yè)/共47頁(yè)(4)散熱能力提高，倒裝芯片沒(méi)有塑封體，芯片背面可用散熱片等進(jìn)行有效的冷卻，使電路的可靠性得到提高；(5)倒裝凸點(diǎn)等制備基本以圓片、芯片為單位，較單根引線為單位的引線鍵合互連來(lái)講，生產(chǎn)效率高，降低了批量封裝的成本；第6頁(yè)/共47頁(yè)1.3發(fā)展歷史

1964倒裝芯片出現(xiàn)；1969年，IBM公司C4技術(shù)（可控塌陷技術(shù)）；至今，已廣泛應(yīng)用于SIP,MCM,微處理器，硬盤驅(qū)動(dòng)器以及RFID等領(lǐng)域。第7頁(yè)/共47頁(yè)1.4實(shí)際應(yīng)用第8頁(yè)/共47頁(yè)2倒裝芯片的工藝流程倒裝芯片制凸點(diǎn)拾取芯片印刷焊膏或?qū)щ娔z貼放芯片再流焊或熱固化下填充第9頁(yè)/共47頁(yè)2.1幾種典型的倒裝芯片焊接工藝1、環(huán)氧樹脂光固化法2、各向異性導(dǎo)電膠固化法3、超聲熱壓倒裝芯片焊接法4、再流倒裝芯片焊接法（C4技術(shù)）第10頁(yè)/共47頁(yè)2.1.1環(huán)氧樹脂光固化法利用光敏樹脂固化時(shí)產(chǎn)生的收縮力將凸點(diǎn)與基板上金屬焊區(qū)互連在一起，不是“焊接”，是“機(jī)械接觸”。光固化的樹脂是丙烯基系，紫外光的光強(qiáng)是500mW/cm2，光照固化時(shí)間是3~5s，芯片上的壓力是0.01~0.05N/凸點(diǎn)第11頁(yè)/共47頁(yè)2.1.1環(huán)氧樹脂光固化法工藝步驟：在基板上涂上光敏樹脂芯片凸點(diǎn)與基板金屬焊區(qū)對(duì)位貼裝加紫外光（UV）并加壓固化完成芯片倒裝焊第12頁(yè)/共47頁(yè)2.1.2各向異性導(dǎo)電膠固化法第13頁(yè)/共47頁(yè)2.1.2各向異性導(dǎo)電膠固化法過(guò)程：先在基板上涂覆各向異性導(dǎo)電膠（ACA），將帶有凸點(diǎn)的IC芯片與基板上的金屬焊區(qū)對(duì)位后，在芯片上加壓進(jìn)行ACA固化，這樣導(dǎo)電粒子擠壓在凸點(diǎn)與焊區(qū)之間，使上下接觸導(dǎo)電。第14頁(yè)/共47頁(yè)2.1.2各向異性導(dǎo)電膠固化法ACA的固化形式有熱固型、熱塑型和紫外光固化型（UV）幾種。其中，以UV型最佳，熱固型次之。UV型的固化速度快，無(wú)溫度梯度，故芯片和基板均不需加熱，因此不用考慮由UV照射固化產(chǎn)生的微弱能量引起的熱不匹配問(wèn)題。第15頁(yè)/共47頁(yè)2.1.3超聲熱壓倒裝芯片焊接法第16頁(yè)/共47頁(yè)2.1.3超聲熱壓倒裝芯片焊接法該方法是使用倒裝焊接機(jī)完成各種凸點(diǎn)的焊接，由光學(xué)攝像對(duì)位系統(tǒng)、撿拾熱壓超聲焊頭、精確定位承片臺(tái)及顯示屏等組成的精密設(shè)備。第17頁(yè)/共47頁(yè)2.1.3超聲熱壓倒裝芯片焊接法第18頁(yè)/共47頁(yè)2.1.4再流倒裝芯片焊接法（C4技術(shù)）第19頁(yè)/共47頁(yè)2.1.4再流倒裝芯片焊接法（C4技術(shù)）這種焊接方法專對(duì)各類Pb-Sn焊料凸點(diǎn)進(jìn)行再流焊接，這種FCB技術(shù)最早起源于美國(guó)IBM公司，又稱C4技術(shù)。C4技術(shù)是國(guó)際上最為流行并且最有發(fā)展?jié)摿Φ暮噶贤裹c(diǎn)制作FCB技術(shù)，因?yàn)樗梢圆捎肧MT在PWB上直接進(jìn)行芯片貼裝并倒裝焊。第20頁(yè)/共47頁(yè)2.1.4再流倒裝芯片焊接法（C4技術(shù)）根據(jù)使用的基板不同，相應(yīng)使用的C4凸點(diǎn)直徑、凸點(diǎn)高度和凸點(diǎn)節(jié)距也不同，典型的尺寸如表：第21頁(yè)/共47頁(yè)第22頁(yè)/共47頁(yè)2.2倒裝芯片封裝的關(guān)鍵技術(shù)在當(dāng)前倒裝芯片不普及,工藝不成熟的狀況下,芯片上凸點(diǎn)成形、芯片倒裝焊工藝和下填充材料的填充工藝就成為應(yīng)用推廣倒裝芯片焊接的技術(shù)關(guān)鍵。第23頁(yè)/共47頁(yè)2.2倒裝芯片封裝的關(guān)鍵技術(shù)倒裝焊(FlipChip)中的首個(gè)凸點(diǎn)制備技術(shù)是IBM公司的C4工藝(ControlledCollapsChipsConnection)。凸點(diǎn)由蒸發(fā)的薄膜金屬制成。隨工藝技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展，滿足不同產(chǎn)品的需求，凸點(diǎn)制備工藝方法越來(lái)越多，不僅有蒸發(fā)／濺射法，還有焊膏印刷-回流法、化鍍法、電鍍法，釘頭法、置球凸點(diǎn)法(SB2Jet)等不同方法，其各有特點(diǎn)。第24頁(yè)/共47頁(yè)2.2.1蒸渡沉積法第25頁(yè)/共47頁(yè)2.2.1蒸渡沉積法如上圖所示，通常采用金屬掩膜來(lái)形成UBM和釬料凸點(diǎn)的形式圖案。在形成UBM后，釬料蒸發(fā)而在焊盤上形成凸點(diǎn)。此時(shí)凸點(diǎn)呈錐形，凸點(diǎn)的高度取決于蒸發(fā)釬料量、掩膜高度及其開口尺寸。通常在蒸發(fā)過(guò)程之后，要對(duì)釬料凸點(diǎn)進(jìn)行重熔，以形成球形凸點(diǎn)。第26頁(yè)/共47頁(yè)2.2.1蒸渡沉積法還有另外一種蒸渡形式，采用光刻膠代替掩膜。釬料蒸發(fā)并沉積到焊盤和光刻膠上，在光刻膠和焊盤上沉積的釬料是不連續(xù)的，通過(guò)隨后取下的光刻膠，則其上的釬料也被去除，剩余的釬料即形成釬料凸點(diǎn)。第27頁(yè)/共47頁(yè)2.2.2印刷法第28頁(yè)/共47頁(yè)2.2.2印刷法現(xiàn)在大量采用的模板印刷方法是通過(guò)涂刷器和模板，將釬料涂刷在焊盤上。目前廣泛應(yīng)用在200μm~400μm的焊盤間距印刷。對(duì)小間距焊盤，由于模板印刷不能均勻分配焊料體積，應(yīng)用受到了限制。第29頁(yè)/共47頁(yè)2.2.2印刷法影響模板印刷工藝質(zhì)量的因素很多，包括印刷壓力、間距高度、環(huán)境控制、重熔溫度曲線等參數(shù)等。模板制造方法有三種：化學(xué)腐蝕、電鍍以及激光切割?；瘜W(xué)腐蝕模板比較便宜，但精度不高。電鍍和激光切割模板精度高，但是比較貴。第30頁(yè)/共47頁(yè)2.2.3電鍍法第31頁(yè)/共47頁(yè)2.2.3電鍍法在電鍍法中，形成UBM之后，在焊盤上涂覆光刻膠以形成凸點(diǎn)圖案。如上圖，光刻膠可決定電鍍凸點(diǎn)的形狀和高度，因此在電鍍凸點(diǎn)前，要去除光刻膠殘?jiān)?。在電鍍液中焊料電鍍后，形成的凸點(diǎn)多為蘑菇狀。與其他方法相比，電鍍凸點(diǎn)成分及其高度控制比較困難，因此多選用共晶釬料，如63Sn/37Pb等。電鍍后，去除光刻膠，釬料凸點(diǎn)在進(jìn)行重熔過(guò)程，獲得球形凸點(diǎn)。第32頁(yè)/共47頁(yè)2.2.4釘頭凸點(diǎn)第33頁(yè)/共47頁(yè)2.2.4釘頭凸點(diǎn)釘頭凸點(diǎn)使用標(biāo)準(zhǔn)連接過(guò)程以形成凸點(diǎn)，過(guò)程如上圖所示。釬料絲的選擇通常要求與UBM要求匹配，可使用金絲或鉛基釬料絲。凸點(diǎn)形成過(guò)程與線連接過(guò)程相同，不同之處在于絲端成球后，在球上端加熱食指斷開，獲得的凸點(diǎn)形狀多為蘑菇狀或釘頭狀。隨后重熔過(guò)程可獲得具有特定高度的球形凸點(diǎn)。第34頁(yè)/共47頁(yè)2.2.5釬料傳送法第35頁(yè)/共47頁(yè)2.2.5釬料傳送法先在載板上形成凸點(diǎn)，隨后轉(zhuǎn)移到連接焊盤。在此釬料凸點(diǎn)形成過(guò)程中，要求載板材料應(yīng)與釬料間不可潤(rùn)濕，多選用硅或耐熱玻璃片，凸點(diǎn)形成前首先沉積一薄層（大約100nm）的金，用以提高釬料與載板間的粘附性，保證在釬料潤(rùn)濕并轉(zhuǎn)移到焊盤前不與載板分離。第36頁(yè)/共47頁(yè)2.2.6微球法第37頁(yè)/共47頁(yè)2.2.6微球法當(dāng)微球吸附在吸孔處時(shí)，由于微球可能被粘附到除吸孔外的其他位置，又由于微球非常輕，若吸孔與其上的微球有間隙沒(méi)有良好粘附，則會(huì)出現(xiàn)在一個(gè)吸孔位置粘附多個(gè)微球。為除去多余的微球，而同時(shí)準(zhǔn)確保持微球在吸孔位置，可采用超聲震蕩工藝。隨后用圖像處理方法來(lái)檢查吸孔與微球位置準(zhǔn)確性，若發(fā)現(xiàn)多余微球則應(yīng)去除，缺少微球則添上。第38頁(yè)/共47頁(yè)2.2.7凸點(diǎn)制作工藝小結(jié)凸點(diǎn)的制作方法有很多,各自適應(yīng)于特定的要求,都有一定的應(yīng)用,然而現(xiàn)有各種方法都存在一定的缺點(diǎn),技術(shù)還不夠成熟。對(duì)倒裝芯片技術(shù)來(lái)說(shuō),盡管與以往的封裝技術(shù)相比有明顯的優(yōu)勢(shì),但要使其得到廣泛的應(yīng)用,必須使其工藝成本不超過(guò)以往的電子封裝技術(shù)。為獲得成本優(yōu)勢(shì),需要新的封裝材料與工藝,而選擇一種合適的凸點(diǎn)制作技術(shù)則是非常重要。現(xiàn)有技術(shù)仍不能完全滿足要求,新的更具有優(yōu)勢(shì)的凸點(diǎn)制作技術(shù)仍有待發(fā)展。第39頁(yè)/共47頁(yè)2.3下填充技術(shù)由于硅芯片、焊料凸點(diǎn)和基板等材料的熱膨脹系數(shù)不匹配，如表3所示，使用過(guò)程中很容易因熱失配而造成連接失效。下填充技術(shù)能夠減少硅芯片和基板間熱膨脹失配造成的影響，并能有效地緩沖機(jī)械沖擊的損傷程度。其中焊料凸點(diǎn)與焊盤的連接界面處承受著更容易失效的風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)下填充可以將芯片、凸點(diǎn)和基板緊緊地黏附在一起，達(dá)到重新分配整個(gè)芯片上的熱膨脹系數(shù)失配和機(jī)械沖擊產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變力。下填充提供了一個(gè)好的機(jī)械連接，大大提高r封裝的可靠性，并且還能防止?jié)駳夂推渌问降恼次?。使用下填充能夠大大提高倒裝連接的壽命，與相同封裝無(wú)填充的倒裝比較其使用壽命可以提高5-20倍。第40頁(yè)/共47頁(yè)2.3倒裝焊封裝器件材料的力學(xué)屬性第41頁(yè)/共47頁(yè)2.3下填充技術(shù)下填充工藝有兩種，底部流動(dòng)填充和底部不流動(dòng)填充，應(yīng)根據(jù)不同的需求選擇合適的填充工藝。底部流動(dòng)填充工藝，是在毛細(xì)表面張力作用下，膠填充芯片和慕板底部空隙之間，膠的流動(dòng)能夠使芯片和基板之間的氣體盡量驅(qū)除出去，減少氣泡的殘留。芯片與基板之間空隙足夠大，可選用底部流動(dòng)填充工藝，如果芯片面積特別大或芯片與基板的空隙小可以選擇底部不流動(dòng)填充工藝，應(yīng)根據(jù)不同的需要選擇相應(yīng)的填充工藝。第42頁(yè)/共47頁(yè)2.3下填充技術(shù)第43頁(yè)/共47頁(yè)