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1、华中科技大学材料学院连接与电子封装中心 * Prof. Wu Fengshun, fengshunwu 1 电子制造技术基础 吴丰顺 博士/教授 武汉光电国家实验室 光电材料与微纳制造部 华中科技大学材料学院 华中科技大学材料学院连接与电子封装中心 * Prof. Wu Fengshun, fengshunwu 2 倒装芯片(Flip Chip)技术 华中科技大学材料学院连接与电子封装中心 * Prof. Wu Fengshun, fengshunwu 3 第一部分 倒装芯片简介倒装芯片简介 华中科技大学材料学院连接与电子封装中心 * Prof. Wu Fengshun, fengshunwu
2、 4 倒装芯片示意图 在典型的倒装芯片封装中, 芯片通过3到5个密耳 (mil)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. 华中科技大学材料学院连接与电子封装中心 * Prof. Wu Fengshun, fengshunwu 5 什么是倒装芯片？ 倒装芯片组装就是通过芯片上的凸点直接将元器件朝 下互连到基板、载体或者电路板上。而导线键合是将芯片的 面朝上。 倒装芯片元件是主要用于半导体设备；而有些元件， 如无源滤波器，探测天线，存储器装备也开始使用倒装芯片 技术，由于芯片直接通过凸点直接连接基板和载体上，因此 ，更确切的说，倒装芯片也叫DCA （ Direct Chip
3、Attach ） 。 华中科技大学材料学院连接与电子封装中心 * Prof. Wu Fengshun, fengshunwu 6 三种晶片级互连方法 华中科技大学材料学院连接与电子封装中心 * Prof. Wu Fengshun, fengshunwu 7 倒装芯片历史 1.IBM1960年研制开发出在芯片上制作凸点的倒装芯片焊接工 艺技术。95Pb5Sn凸点包围着电镀NiAu的铜球。后来制作 PbSn凸点，使用可控塌焊连接（Controlled collapse Component Connection, C4），无铜球包围。 2.Philocford等公司制作出AgSn凸点 3.Fairc
4、hieldAl凸点 4.AmelcoAu凸点 5.目前全世界的倒装芯片消耗量超过年60万片，且以约50的 速度增长，3的圆片用于倒装芯片凸点。几年后可望超过 20。 华中科技大学材料学院连接与电子封装中心 * Prof. Wu Fengshun, fengshunwu 8 为什么使用倒装芯片? 倒装芯片技术的兴起是由于与其他的技术相比 ，在尺寸、外观、柔性、可靠性、以及成本等方面有 很大的优势。今天倒装芯片广泛用于电子表，手机， 便携机 ，磁盘、耳机，LCD以及大型机等各种电子 产品上。 华中科技大学材料学院连接与电子封装中心 * Prof. Wu Fengshun, fengshunwu 9
5、 优点01 小尺寸: 小的IC引脚图形 (只有扁平封装的5）减小了高度 和重量。 功能增强: 使用倒装芯片能增加I/O 的数量。I/O 不像导线 键合中出于四周而收到数量的限制。面阵列使得在更小的空 间里进行更多信号、功率以及电源等地互连。一般的倒装芯 片焊盘可达400个。 华中科技大学材料学院连接与电子封装中心 * Prof. Wu Fengshun, fengshunwu 10 优点02 性能增加: 短的互连减小了电感、电阻以及电容，保证了信号 延迟减少、较好的高频率、以及从晶片背面较好的热通道。 提高了可靠性: 大芯片的环氧填充确保了高可靠性。 倒装芯片 可减少三分之二的互连引脚数。 提
6、高了散热热能力：倒装芯片没有塑封，芯片背面可进行有 效的冷却。 低成本：批量的凸点降低了成本。 华中科技大学材料学院连接与电子封装中心 * Prof. Wu Fengshun, fengshunwu 11 I/O 数比较 倒装芯片与扁平封装的引脚数比较 华中科技大学材料学院连接与电子封装中心 * Prof. Wu Fengshun, fengshunwu 12 信号效果比较 华中科技大学材料学院连接与电子封装中心 * Prof. Wu Fengshun, fengshunwu 13 缺点01 裸芯片很难测试 凸点芯片适应性有限 随着间距地减小和引脚数的增多导致PCB技术 面临挑战 必须使用X射
7、线检测设备检测不可见的焊点 和SMT工艺相容性较差 华中科技大学材料学院连接与电子封装中心 * Prof. Wu Fengshun, fengshunwu 14 缺点02 操作夹持裸晶片比较困难 要求很高的组装精度 目前使用底部填充要求一定的固化时间 有些基板可靠性较低 维修很困难或者不可能 华中科技大学材料学院连接与电子封装中心 * Prof. Wu Fengshun, fengshunwu 15 倒装芯片工艺概述 主要工艺步骤： 第一步： 凸点底部金属化 (UBM) 第二步：芯片凸点 第三步：将已经凸点的晶片组装到基板板卡上 第四步：使用非导电材料填充芯片底部孔隙 华中科技大学材料学院连接
8、与电子封装中心 * Prof. Wu Fengshun, fengshunwu 16 第一步：凸点下金属化 （UBM，under bump metallization） 华中科技大学材料学院连接与电子封装中心 * Prof. Wu Fengshun, fengshunwu 17 第二步: 回流形成凸点 华中科技大学材料学院连接与电子封装中心 * Prof. Wu Fengshun, fengshunwu 18 第三步：倒装芯片组装 华中科技大学材料学院连接与电子封装中心 * Prof. Wu Fengshun, fengshunwu 19 第四步：底部填充与固化 华中科技大学材料学院连接与电子
9、封装中心 * Prof. Wu Fengshun, fengshunwu 20 不同的倒装芯片焊点 华中科技大学材料学院连接与电子封装中心 * Prof. Wu Fengshun, fengshunwu 21 底部填充与否 有各种不同的倒装芯片互连工艺，但是其结构基本特点 都是芯片面朝下，而连接则使用金属凸点。而最终差别就是使 用底部填充与否。 华中科技大学材料学院连接与电子封装中心 * Prof. Wu Fengshun, fengshunwu 22 不同的倒装芯片连接方法 1. 焊料焊接 2.热压焊接 3. 热声焊接 4. 粘胶连接 华中科技大学材料学院连接与电子封装中心 * Prof.
10、Wu Fengshun, fengshunwu 23 Coffin-Manson 低周疲劳模型 华中科技大学材料学院连接与电子封装中心 * Prof. Wu Fengshun, fengshunwu 24 由此模型可知： 更高的焊点高度 更小的晶片 器件与基板的热膨胀系数（Coefficient of Thermal Expansion, CTE）相配 小的工作温度变化范围 要提高可靠性必须要求： 华中科技大学材料学院连接与电子封装中心 * Prof. Wu Fengshun, fengshunwu 25 倒装芯片工艺：通过焊料焊接01 焊料沉积在基板焊盘上： 对于细间距连接，焊料通过电镀、焊
11、料溅射或者 固体焊料等沉积方法。 很粘的焊剂可通过直接涂覆到基板上或者用芯片凸 点浸入的方法来保证粘附。 对于加大的间距（0.4 mm ），可用模板印刷焊膏。 华中科技大学材料学院连接与电子封装中心 * Prof. Wu Fengshun, fengshunwu 26 回流焊接： 芯片凸点放置于沉积了焊膏或者焊剂的焊盘上，整个 基板浸入再流焊炉。 清洗 ：焊剂残留。 测试：由于固化后不能维修，所以在填充前要进行测试。 底部填充： 通过挤压将低粘度的环氧类物质填充到芯片底部，然 后加热固化。 倒装芯片工艺：通过焊料焊接 02 华中科技大学材料学院连接与电子封装中心 * Prof. Wu Feng
12、shun, fengshunwu 27 步 骤 示 意 图 华中科技大学材料学院连接与电子封装中心 * Prof. Wu Fengshun, fengshunwu 28 底部填充示意图 华中科技大学材料学院连接与电子封装中心 * Prof. Wu Fengshun, fengshunwu 29 倒装芯片工艺通过热压焊接 在热压连 接工艺中，芯片的凸点是通过加热、加压 的方法连接到基板的焊盘上。该工艺要求芯片或者基板上的 凸点为金凸点，同时还要有一个可与凸点连接的表面，如金 或铝。对于金凸点，一般连接温度在300 C 左右，这样才能 是材料充分软化，同时促进连接过程中的扩散作用。 华中科技大学材
13、料学院连接与电子封装中心 * Prof. Wu Fengshun, fengshunwu 30 热压和热声倒装芯片连接原理示意图 热压与热声倒装芯片示意图 华中科技大学材料学院连接与电子封装中心 * Prof. Wu Fengshun, fengshunwu 31 基板金属化 基板上的焊盘必须进行适当地金属化，例如镀金，以便 于实现连接。另外，基板应该非常平整。 华中科技大学材料学院连接与电子封装中心 * Prof. Wu Fengshun, fengshunwu 32 凸点 热压倒装芯片连接最合适的凸点材料是金，凸点可以通过传 统的电解镀金方法生成，或者采用钉头凸点方法，后者就是 引线键合技
14、术中常用的凸点形成工艺。由于可以采用现成的 引线键合设备，因此无需配备昂贵的凸点加工设备，金引线 中应该加入1% 的Pd ，这样便于卡断凸点上部的引线。凸点 形成过程中，晶圆或者基板应该预热到150 200 C。 华中科技大学材料学院连接与电子封装中心 * Prof. Wu Fengshun, fengshunwu 33 钉头金凸点 SBB（Stud Bond Bump） 华中科技大学材料学院连接与电子封装中心 * Prof. Wu Fengshun, fengshunwu 34 钉头金凸点制作 Gold wireGold ball Coining (level) Wire breakingB
15、all bonding Gold studGold stud bump 华中科技大学材料学院连接与电子封装中心 * Prof. Wu Fengshun, fengshunwu 35 Coining (level) Flat tail bump Raised cross bumpCrossed slots bump Variation Stacked bump 钉头金凸点制作 华中科技大学材料学院连接与电子封装中心 * Prof. Wu Fengshun, fengshunwu 36 若干问题 在某些情况下，如显示器中的玻璃上芯片(chip-on-glass ，COG)，采用焊接连接并不是最合适
16、的选择，而应该考虑采用 其它替代方法。大多数不采用焊接的倒装芯片技术中，芯片是采 用导电胶或者热压、热声的方法连接到基板上的。这些方法的优 点是： 简单，无需使用焊剂 工艺温度低 可以实现细间距连接 华中科技大学材料学院连接与电子封装中心 * Prof. Wu Fengshun, fengshunwu 37 若干问题 对于直径为80m的凸点， 热压压力可以达到1N。由 于压力较大，温度也较高，这种工艺仅适用于刚性基底， 如氧化铝或硅。另外，基板必须保证较高的平整度，热压 头也要有较高的平行对准精度。为了避免半导体材料受到 不必要的损害，施加压力时应该有一定的梯度。 华中科技大学材料学院连接与电子封装中心 * Prof. Wu Fen
