倒装芯片器件封装

会计学1倒装芯片器件封装倒装芯片（FlipChip）1、发展历史2、倒装芯片的工艺过程3、发展趋势第1页/共47页1.1什么是倒装芯片器件封装第2页/共47页倒装芯片器件具有的特点1、基板是硅2、电气面及焊凸在器件下表面3、球间距一般为4~14mil、球径为2.5~8mil、外形尺寸为1~27mm4、组装在基板上后需要做底部填充第3页/共47页第4页/共47页1.2倒装芯片的优点(1)尺寸小、薄，重量更轻；(2)密度更高，使用倒装焊技术能增加单位面积内的I／O数量；(3)性能提高，短的互连减小了电感，电阻以及电容，信号完整性、频率特性更好；第5页/共47页(4)散热能力提高，倒装芯片没有塑封体，芯片背面可用散热片等进行有效的冷却，使电路的可靠性得到提高；(5)倒装凸点等制备基本以圆片、芯片为单位，较单根引线为单位的引线键合互连来讲，生产效率高，降低了批量封装的成本；第6页/共47页1.3发展历史

1964倒装芯片出现；1969年，IBM公司C4技术（可控塌陷技术）；至今，已广泛应用于SIP,MCM,微处理器，硬盘驱动器以及RFID等领域。第7页/共47页1.4实际应用第8页/共47页2倒装芯片的工艺流程倒装芯片制凸点拾取芯片印刷焊膏或导电胶贴放芯片再流焊或热固化下填充第9页/共47页2.1几种典型的倒装芯片焊接工艺1、环氧树脂光固化法2、各向异性导电胶固化法3、超声热压倒装芯片焊接法4、再流倒装芯片焊接法（C4技术）第10页/共47页2.1.1环氧树脂光固化法利用光敏树脂固化时产生的收缩力将凸点与基板上金属焊区互连在一起，不是“焊接”，是“机械接触”。光固化的树脂是丙烯基系，紫外光的光强是500mW/cm2，光照固化时间是3~5s，芯片上的压力是0.01~0.05N/凸点第11页/共47页2.1.1环氧树脂光固化法工艺步骤：在基板上涂上光敏树脂芯片凸点与基板金属焊区对位贴装加紫外光（UV）并加压固化完成芯片倒装焊第12页/共47页2.1.2各向异性导电胶固化法第13页/共47页2.1.2各向异性导电胶固化法过程：先在基板上涂覆各向异性导电胶（ACA），将带有凸点的IC芯片与基板上的金属焊区对位后，在芯片上加压进行ACA固化，这样导电粒子挤压在凸点与焊区之间，使上下接触导电。第14页/共47页2.1.2各向异性导电胶固化法ACA的固化形式有热固型、热塑型和紫外光固化型（UV）几种。其中，以UV型最佳，热固型次之。UV型的固化速度快，无温度梯度，故芯片和基板均不需加热，因此不用考虑由UV照射固化产生的微弱能量引起的热不匹配问题。第15页/共47页2.1.3超声热压倒装芯片焊接法第16页/共47页2.1.3超声热压倒装芯片焊接法该方法是使用倒装焊接机完成各种凸点的焊接，由光学摄像对位系统、捡拾热压超声焊头、精确定位承片台及显示屏等组成的精密设备。第17页/共47页2.1.3超声热压倒装芯片焊接法第18页/共47页2.1.4再流倒装芯片焊接法（C4技术）第19页/共47页2.1.4再流倒装芯片焊接法（C4技术）这种焊接方法专对各类Pb-Sn焊料凸点进行再流焊接，这种FCB技术最早起源于美国IBM公司，又称C4技术。C4技术是国际上最为流行并且最有发展潜力的焊料凸点制作FCB技术，因为它可以采用SMT在PWB上直接进行芯片贴装并倒装焊。第20页/共47页2.1.4再流倒装芯片焊接法（C4技术）根据使用的基板不同，相应使用的C4凸点直径、凸点高度和凸点节距也不同，典型的尺寸如表：第21页/共47页第22页/共47页2.2倒装芯片封装的关键技术在当前倒装芯片不普及,工艺不成熟的状况下,芯片上凸点成形、芯片倒装焊工艺和下填充材料的填充工艺就成为应用推广倒装芯片焊接的技术关键。第23页/共47页2.2倒装芯片封装的关键技术倒装焊(FlipChip)中的首个凸点制备技术是IBM公司的C4工艺(ControlledCollapsChipsConnection)。凸点由蒸发的薄膜金属制成。随工艺技术和设备的发展，满足不同产品的需求，凸点制备工艺方法越来越多，不仅有蒸发／溅射法，还有焊膏印刷-回流法、化镀法、电镀法，钉头法、置球凸点法(SB2Jet)等不同方法，其各有特点。第24页/共47页2.2.1蒸渡沉积法第25页/共47页2.2.1蒸渡沉积法如上图所示，通常采用金属掩膜来形成UBM和钎料凸点的形式图案。在形成UBM后，钎料蒸发而在焊盘上形成凸点。此时凸点呈锥形，凸点的高度取决于蒸发钎料量、掩膜高度及其开口尺寸。通常在蒸发过程之后，要对钎料凸点进行重熔，以形成球形凸点。第26页/共47页2.2.1蒸渡沉积法还有另外一种蒸渡形式，采用光刻胶代替掩膜。钎料蒸发并沉积到焊盘和光刻胶上，在光刻胶和焊盘上沉积的钎料是不连续的，通过随后取下的光刻胶，则其上的钎料也被去除，剩余的钎料即形成钎料凸点。第27页/共47页2.2.2印刷法第28页/共47页2.2.2印刷法现在大量采用的模板印刷方法是通过涂刷器和模板，将钎料涂刷在焊盘上。目前广泛应用在200μm~400μm的焊盘间距印刷。对小间距焊盘，由于模板印刷不能均匀分配焊料体积，应用受到了限制。第29页/共47页2.2.2印刷法影响模板印刷工艺质量的因素很多，包括印刷压力、间距高度、环境控制、重熔温度曲线等参数等。模板制造方法有三种：化学腐蚀、电镀以及激光切割。化学腐蚀模板比较便宜，但精度不高。电镀和激光切割模板精度高，但是比较贵。第30页/共47页2.2.3电镀法第31页/共47页2.2.3电镀法在电镀法中，形成UBM之后，在焊盘上涂覆光刻胶以形成凸点图案。如上图，光刻胶可决定电镀凸点的形状和高度，因此在电镀凸点前，要去除光刻胶残渣。在电镀液中焊料电镀后，形成的凸点多为蘑菇状。与其他方法相比，电镀凸点成分及其高度控制比较困难，因此多选用共晶钎料，如63Sn/37Pb等。电镀后，去除光刻胶，钎料凸点在进行重熔过程，获得球形凸点。第32页/共47页2.2.4钉头凸点第33页/共47页2.2.4钉头凸点钉头凸点使用标准连接过程以形成凸点，过程如上图所示。钎料丝的选择通常要求与UBM要求匹配，可使用金丝或铅基钎料丝。凸点形成过程与线连接过程相同，不同之处在于丝端成球后，在球上端加热食指断开，获得的凸点形状多为蘑菇状或钉头状。随后重熔过程可获得具有特定高度的球形凸点。第34页/共47页2.2.5钎料传送法第35页/共47页2.2.5钎料传送法先在载板上形成凸点，随后转移到连接焊盘。在此钎料凸点形成过程中，要求载板材料应与钎料间不可润湿，多选用硅或耐热玻璃片，凸点形成前首先沉积一薄层（大约100nm）的金，用以提高钎料与载板间的粘附性，保证在钎料润湿并转移到焊盘前不与载板分离。第36页/共47页2.2.6微球法第37页/共47页2.2.6微球法当微球吸附在吸孔处时，由于微球可能被粘附到除吸孔外的其他位置，又由于微球非常轻，若吸孔与其上的微球有间隙没有良好粘附，则会出现在一个吸孔位置粘附多个微球。为除去多余的微球，而同时准确保持微球在吸孔位置，可采用超声震荡工艺。随后用图像处理方法来检查吸孔与微球位置准确性，若发现多余微球则应去除，缺少微球则添上。第38页/共47页2.2.7凸点制作工艺小结凸点的制作方法有很多,各自适应于特定的要求,都有一定的应用,然而现有各种方法都存在一定的缺点,技术还不够成熟。对倒装芯片技术来说,尽管与以往的封装技术相比有明显的优势,但要使其得到广泛的应用,必须使其工艺成本不超过以往的电子封装技术。为获得成本优势,需要新的封装材料与工艺,而选择一种合适的凸点制作技术则是非常重要。现有技术仍不能完全满足要求,新的更具有优势的凸点制作技术仍有待发展。第39页/共47页2.3下填充技术由于硅芯片、焊料凸点和基板等材料的热膨胀系数不匹配，如表3所示，使用过程中很容易因热失配而造成连接失效。下填充技术能够减少硅芯片和基板间热膨胀失配造成的影响，并能有效地缓冲机械冲击的损伤程度。其中焊料凸点与焊盘的连接界面处承受着更容易失效的风险，通过下填充可以将芯片、凸点和基板紧紧地黏附在一起，达到重新分配整个芯片上的热膨胀系数失配和机械冲击产生的应力和应变力。下填充提供了一个好的机械连接，大大提高r封装的可靠性，并且还能防止湿气和其他形式的沾污。使用下填充能够大大提高倒装连接的寿命，与相同封装无填充的倒装比较其使用寿命可以提高5-20倍。第40页/共47页2.3倒装焊封装器件材料的力学属性第41页/共47页2.3下填充技术下填充工艺有两种，底部流动填充和底部不流动填充，应根据不同的需求选择合适的填充工艺。底部流动填充工艺，是在毛细表面张力作用下，胶填充芯片和慕板底部空隙之间，胶的流动能够使芯片和基板之间的气体尽量驱除出去，减少气泡的残留。芯片与基板之间空隙足够大，可选用底部流动填充工艺，如果芯片面积特别大或芯片与基板的空隙小可以选择底部不流动填充工艺，应根据不同的需要选择相应的填充工艺。第42页/共47页2.3下填充技术第43页/共47页