2020/12/20,Prof. Wu Fengshun, ,1,电子制造技术基础,博士/教授 武汉光电国家实验室 光电材料与微纳制造部,2020/12/20,Prof. Wu Fengshun, ,2,倒装芯片(Flip Chip)技术,2020/12/20,Prof. Wu Fengshun, ,3,第一部分,倒装芯片简介,2020/12/20,Prof. Wu Fengshun, ,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.,2020/12/20,Prof. Wu Fengshun, ,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 Attach ）2020/12/20,Prof. Wu Fengshun, ,6,三种晶片级互连方法,2020/12/20,Prof. Wu Fengshun, ,7,倒装芯片历史,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 Philocford等公司制作出AgSn凸点 FairchieldAl凸点 AmelcoAu凸点 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202020/12/20,Prof. Wu Fengshun, ,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，，便携机 ，磁盘、耳机，LCD以及大型机等各种电子产品上2020/12/20,Prof. Wu Fengshun, ,9,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2020/12/20,Prof. Wu Fengshun, ,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2020/12/20,Prof. Wu Fengshun, ,11,I/O 数比较,倒装芯片与扁平封装的引脚数比较,2020/12/20,Prof. Wu Fengshun, ,12,信号效果比较,2020/12/20,Prof. Wu Fengshun, ,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射线检测设备检测不可见的焊点 和SMT工艺相容性较差,2020/12/20,Prof. Wu Fengshun, ,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,2020/12/20,Prof. Wu Fengshun, ,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,2020/12/20,Prof. Wu Fengshun, ,16,第一步：凸点下金属化（UBM，under bump metallization）,2020/12/20,Prof. Wu Fengshun, ,17,第二步: 回流形成凸点,2020/12/20,Prof. Wu Fengshun, ,18,第三步：倒装芯片组装,2020/12/20,Prof. Wu Fengshun, ,19,第四步：底部填充与固化,2020/12/20,Prof. Wu Fengshun, ,20,不同的倒装芯片焊点,2020/12/20,Prof. Wu Fengshun, ,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2020/12/20,Prof. Wu Fengshun, ,22,不同的倒装芯片连接方法,焊料焊接 热压焊接 热声焊接 粘胶连接,2020/12/20,Prof. Wu Fengshun, ,23,Coffin-Manson 低周疲劳模型,2020/12/20,Prof. Wu Fengshun, ,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：,2020/12/20,Prof. Wu Fengshun, ,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2020/12/20,Prof. Wu Fengshun, ,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 02,2020/12/20,Prof. Wu Fengshun, ,27,步骤示意图,2020/12/20,Prof. Wu Fengshun, ,28,底部填充示意图,2020/12/20,Prof. Wu Fengshun, ,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2020/12/20,Prof. Wu Fengshun, ,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,2020/12/20,Prof. Wu Fengshun, ,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2020/12/20,Prof. Wu Fengshun, ,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 C2020/12/20,Prof. Wu Fengshun, ,33,钉头金凸点SBB（Stud Bond Bump）,2020/12/20,Prof. Wu Fengshun, ,34,钉头金凸点制作,Gold wire,Gold ball,Coining (level),Wire breaking,Ball bonding,Gold stud,Gold stud bump,2020/12/20,Prof. Wu Fengshun, ,35,Coining (level),Flat tail bump,Raised cross bump,Crossed slots bump,Variation,Stacked bump,钉头金凸点制作,2020/12/20,Prof. Wu Fengshun, ,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,2020/12/20,Prof. Wu Fengshun, ,37,若干问题,对于直径为80mm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2020/12/20,Prof. Wu Fengshun, ,38,与一般的焊点连接一样，热压倒装芯片连接的可靠性也要受到基板与芯片的热膨胀系数(CTE)失配的影响，此外焊点的高度、焊点之间的最大间距亦会对可靠性造成影响连接区的裂纹多是在从连接温度冷却下来的过程中产生的可靠性,2020/12/20,Prof. Wu Fengshun, ,39,由于金的熔点温度高，因此它对疲劳损伤的敏感程度远小于焊料因此，如果在热循环中应力没有超过凸点与焊盘之间的连接强度，那么可靠性不会存在太大问题 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。
可靠性,2020/12/20,Prof. Wu Fengshun, ,40,倒装芯片的连接头应该能够产生300C 的连接温度， 要有较高的平行对准精度，为了防止半导体材料发生损伤，施加压力时应该保持一定的梯度在热压倒装芯片连接中，凸点发生变形是不可避免的，这也是形成良好连接所必需的另外，连接压力和温度应该尽可能低，以免芯片和基板损坏生产问题,2020/12/20,Prof. Wu Fengshun, ,41,GaAs器件的热压倒装芯片连接工艺参数曲线,工艺参数曲线,2020/12/20,Prof. Wu Fengshun, ,42,倒装芯片工艺通过热声焊接,热声倒装芯片连接是将超声波应用在热压连接中，这样可以使得焊接过程更加快速超声能量是通过一个可伸缩的探头从芯片的背部施加到连接区超声波的引入使连接材料迅速软化，易于实现塑性变形热声连接的优点是可以降低连接温度，缩短加工处理的时间热声倒装芯片连接的缺点是可能在硅片上形成小的凹坑，这主要是由于超声震动过强造成的2020/12/20,Prof. Wu Fengshun, ,43,可靠性,与一般的焊点连接一样，热压倒装芯片连接的可靠性也要受到基板与芯片的热膨胀系数(CTE)失配的影响，此外焊点的高度、焊点之间的最大间距亦会对可靠性造成影响。
连接区的裂纹多是在从连接温度冷却下来的过程中产生的 由于金的熔点温度高，因此它对疲劳损伤的敏感程度远小于焊料因此，如果在热循环中应力没有超过凸点与焊盘之间的连接强度，那么可靠性不会存在太大问题 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2020/12/20,Prof. Wu Fengshun, ,44,生产问题,热声倒装芯。