微电子技术之倒装芯片技术

微电子技术之倒装芯片技术倒装芯片是一种无引脚结构，一般含有电路单元。设计用于通过适当数量的位于其面上的锡球（导电性粘合剂所覆盖），在电气上和机械上连接于电路。在微电子领域中起着重要的作用，是微电子大家庭中不可缺少的一员。倒装芯片英文名为Flipchip。其起源于60年代，由IBM率先研发出,具体原理是在I/Opad上沉积锡铅球，然后将芯片翻转加热利用熔融的锡铅球与陶瓷板相结合，此技术已替换常规的打线接合，逐渐成为未来封装潮流。FlipChip既是一种芯片互连技术，又是一种理想的芯片粘接技术•早在30年前IBM公司已研发使用了这项技术。但直到近几年来,Flip-Chip已成为高端器件及高密度封装领域中经常采用的封装形式。今天，Flip-Chip封装技术的应用范围日益广泛，封装形式更趋多样化，对Flip-Chip封装技术的要求也随之提高。同时，Flip-Chip也向制造者提出了一系列新的严峻挑战，为这项复杂的技术提供封装，组装及测试的可靠支持。以往的一级封闭技术都是将芯片的有源区面朝上，背对基板和贴后键合，如引线健合和载带自动健全（TAB）。FC则将芯片有源区面对基板，通过芯片上呈阵列排列的焊料凸点实现芯片与衬底的互连.硅片直接以倒扣方式安装到PCB从硅片向四周引出I/O,互联的长度大大缩短，减小了RC延迟，有效地提高了电性能.显然，这种芯片互连方式能提供更高的I/O密度•倒装占有面积几乎与芯片大小一致•在所有表面安装技术中，倒装芯片可以达到最小、最薄的封装。其次倒装芯片技术是芯片以凸点阵列结构与基板直接安装互连的一种方法。不仅如此倒装芯片是在在I/Opad上沉积锡铅球，然后将芯片翻转加热利用熔融的锡铅球与陶瓷机板相结合此技术替换常规打线接合，逐渐成为未来的封装主流，当前主要应用于高时脉的CPU、GPU（GraphicProcessorUnit）及Chipset等产品为主。与COB相比，该封装形式的芯片结构和I/O端（锡球）方向朝下，由于I/O引出端分布于整个芯片表面，故在封装密度和处理速度上Flipchip已达到顶峰，特别是它可以采用类似SMT技术的手段来加工，因此是芯片封装技术及高密度安装的最终方向。倒装芯片连接有三种主要类型C4、DCA和FCAA，它们分别是ControlledCollapseChipConnection、Directchipattach和FlipChipAdhesiveAttachement的缩写。而C4是类似超细间距BGA的一种形式与硅片连接的焊球阵列一般的间距为0.23、0.254mm。焊球直径为0.102、0.127mm。焊球组份为97Pb/3Sn。这些焊球在硅片上可以呈完全分布或部分分布。C4在工厂中起着非常重要的作用。由于陶瓷可以承受较高的回流温度，因此C4在陶瓷制作品方面常被用来作为连接的基材。通常是在陶瓷的表面上预先分布有镀Au或Sn的连接盘，然后进行C4形式的倒装片连接。对于这么重要的C4来说，有着以下几个优点：首先具有优良的电性能和热特性其次在中等焊球间距的情况下，I/O数可以很高再其次C4不受焊盘尺寸的限制，这点有着非常重要的作用，不仅如此它还可以适于批量生产因此可大大减小尺寸和重量。而对于DCA来说，DCA和C4类似是一种超细间距连接。DCA的硅片和C4连接中的硅片结构相同，两者之间的唯一区别在于基材的选择。DCA采用的基材是典型的印制材料。DCA的焊球组份是97Pb/Sn，连接焊接盘上的焊料是共晶焊料（37Pb/63Sn）。对于DCA由于间距仅为0.203、0.254mm共晶焊料漏印到连接焊盘上相当困难，所以取代焊膏漏印这种方式，在组装前给连接焊盘顶镀上铅锡焊料，焊盘上的焊料体积要求十分严格，通常要比其它超细间距元件所用的焊料多。在连接焊盘上0.051、0.102mm厚的焊料由于是预镀的，一般略呈圆顶状，必须要在贴片前整平，否则会影响焊球和焊盘的可靠对位。但是FCAA连接同样存在多种形式，当前仍处于初期开发阶段。硅片与基材之间的连接不采用焊料，而是用胶来代替。这种连接中的硅片底部可以有焊球，也可以采用焊料凸点等结构。FCAA所用的胶包括各向同性和各向异性等多种类型，主要取决于实际应用中的连接状况，另外，基材的选用通常有陶瓷，印刷板材料和柔性电路板。倒装芯片技术是当今最先进的微电子封装技术之一。它将电路组装密度提升到了一个新高度，随着21世纪电子产品体积的进一步缩小，倒装芯片的应用将会越来越广泛。倒装芯片封装技术与传统的引线键合工艺相比具有许多明显的优点。倒装芯片的尺寸小，小的IC引脚图形，只有扁平封装的5%,大大减少了封装高度和重量；其功能增强了，使用倒装芯片能增加I/O的数量。面阵列使得在更小的空间里进行更多信号、功率以及电源等的互连。一般的倒装芯片上凸点的数量可达400个；不仅仅是功能，其性能也增强了断的的互连减少了电感、电阻以及电容，使得信号延迟减少、具有较好的高频率特性，晶片背面也有较好的散热通道；而且在提高了散热能力的同时，运用倒装芯片没有塑封，芯片背面可进行有效的冷却的方法来散热，也提高了可靠性，打新盘的环氧树脂底部填充工艺确保了高可靠性，使得倒装芯片减少了2/3的互连引脚数。对于倒装芯片的特点来说，还远远不止这些，倒装芯片技术与表面贴装技术相兼容，可同时完成贴装与焊接，致使有了超低的成本等等其他特点。倒装封装技术的热学性能明显优越于常规使用的引线键合工艺。如今许多电子器件；ASIC，微处理器，SOC等封装耗散功率10-25W,甚至更大。而增强散热型引线键合的BGA器件的耗散功率仅5-10W。按照工作条件，散热要求（最大结温），环境温度及空气流量，封装参数（如使用外装热沉，封装及尺寸，基板层数，球引脚数）等，相比之下，倒装封装通常能产生25W耗散功率。封装芯片杰出的热学性能是由低热阻的散热盘及结构决定的。芯片产生的热量通过散热球脚，内部及外部的热沉实现热量耗散。散热盘与芯片面的紧密接触得到低的结温。为减少散热盘与芯片间的热阻，在两者之间使用高导热胶体。使得封装内热量更容易耗散。为更进一步改进散热性能，外部热沉可直接安装在散热盘上，以获得封装低的结温。倒装封装芯片另一个重要优点是电学性能。引线键合工艺已成为高频及某些应用的瓶颈，使用倒装芯片封装技术改进了电学性能。如今许多电子器件工作在高频，因此信号的完整性是一个重要因素。在过去，2-3GHZ是IC封装的频率上限，Flip-Chip封装根据使用的基板技术可高达10-40GHZ。倒装芯片在不断的进化，下一步的演进方向是芯片在插入层或者叠层芯片上的3-D集成。有人还指出，带有穿透硅通孔（TSV）的芯片和晶圆减薄，以及超窄节距（50um）的新型Cu/Cu和铜柱互连都在开发中。此外为了满足先进微处理器日益增长的功率密度要求，他们相信，叠层芯片方法将会在散热管理上带来很大挑战。封装技术还持续地推动着材料科学与技术的发展。尽管人们认为碳纳米管（CNT）互连还需要一些年的时间，但在近期，很可能采用纳米材料作为芯片下填充料、导热材料和多层复合基板的填充物。在材料沉积领域也有一些新趋势出现。除了C4NP，在形成倒装芯片互连时，还可以采用传统BGA所使用的'下投焊球'的方法。起初，采用微凸点的TSV互连将会促进倒装芯片的使用，它们与倒装芯片不同，但是在同一阵营，继续前进的话，可能会出现更好的芯片键合技术。之后TSV本身可能会被看作是一种互连。倒装芯片可能逐渐被其他方法所取代。一种可能是将TSV作为互连，另一种可能是扇出型晶圆级封装（FOWLP），也被称为先芯片封装（chips-firstpackaging）。TSV可能最终会取代倒装芯片。倒装芯片也是下一代3-DIC架构的关键互连技术。互连和封装技术的寿命周期非常长，到现在，即便倒装芯片应用和技术已经发展得非常迅速了，还有大量的DIP（通孔互连）封装存在。回首15年前，几乎所有SMT贴片加工封装采用的都是引线键合。如今倒装芯片技术正在逐步取代引线键合的位置。在从SMT加工手机和寻呼机到MP3播放器和数码相机的所有热门的消费类电子产品中，几乎都能找到倒装芯片封装。在服务器中，近乎所有的逻辑模块都采用倒装芯片封装。大部分AS