倒装芯片

技术的简介

　　最早的表面安装技术--倒装芯片封装技术（FC）形成于20世纪60年代，同时也是最早的球栅阵列封装技术（BGA）和最早的芯片规模封装技术（CSP）。

　　倒装芯片封装技术为1960年IBM公司所开发，为了降低成本，提高速度，提高组件可靠性，FC使用在第1层芯片与载板接合封装，封装方式为芯片正面朝下向基板，无需引线键合，形成最短电路，降低电阻；采用金属球连接，缩小了封装尺寸，改善电性表现，解决了BGA为增加引脚数而需扩大体积的困扰。再者，FC通常应用在时脉较高的CPU或高频RF上，以获得更好的效能，与传统速度较慢的引线键合技术相比，FC更适合应用在高脚数、小型化、多功能、高速度趋势IC的产品中。

技术

　　1.形成凸点技术

　　凸点形成技术分为几个简单的类型，即淀积金属、机械焊接、基于聚合物的胶粘剂以及别的组合物。最初的C4高铅含量焊料凸点，熔点在300℃以上，被低共熔焊料和胶粘剂代替，从而使压焊温度下降到易于有机PCB承受的范围。然而，如果低共熔焊膏作为接合材料使用，那么C4仍可用于FR-4上。

　　1.1 机械形成凸点技术

　　十多年前，IBM公司和K&S公司开发了球凸点形成工艺技术，称为柱式凸点形成技术。此工艺过程首先涉及到对铝芯片载体的球压焊技术，接着把焊丝拉到断裂点，形成有短尾部的凸点。为了在球附近形成光滑的断裂口，可使用含有1%铂的金丝。焊料和别的金属也是起作用的。很多改变是明显的，包括平面性方面的凸点精压技术和更高、更复杂的金属化的双凸点形成技术。柱式凸点形成技术，长期使用于试制形式。由于通过引线键合机获得了惊人的速度，已移入生产模式。金和金凸点及焊料凸点均被实施。Delco公司和K&S公司联合生产柱式凸点的倒装芯片产品，别的公司在不远的将来预计生产凸点芯片。

　　1.2 金属电镀技术

　　电镀技术要求首先形成总线接头，选择电镀掩模，并用于TAB的金凸点芯片技术。虽然通过在晶圆片上方汽相淀积金属，在典型状况下形成总线，但是总线必须能被清除。再者，必须提供光成像电镀保护膜，在电镀之前成像并显影。很多步骤和精确的电镀掩模工艺的要求增加了成本和不便因素。

　　化学镀是无掩模和无总线的方法，看上去是一种较好的方法。该技术已广泛地应用于印刷电路行业，但是化学形成凸点的技术仅仅是近年来才应用于倒装芯片的。化学镀镍，也许由于其非常精确的化学性质，已呈现为首要的且普遍的化学倒装片凸点技术工艺。如果铝没有直接与镍一起电镀，就可使用中间浸液电镀锌技术。图2示出了最普遍的镍凸点技术顺序。注意到在典型状况下，镍受到薄的、易于产生浸液的金涂层保护。形成的金毛刺适于焊接及胶粘剂压焊。

　　化学镀镍凸点技术工艺简单，成本低，是主要的倒装芯片凸点工艺。可利用很多方法，包括把焊料应用于凸点及液体喷注。对倒装片而言，开发化学焊料电镀技术是可行的。

　　1.3 聚合物凸点技术

　　两种各向同性的导电胶粘剂，在所有的轴上导电是均一的。各向异性的（Z轴）胶粘剂，具有间接的导电性，可应用于形成凸点芯片及压焊。因为各种胶粘剂还不能直接用在铝上，所以通常把它们应用于金焊盘。采用聚合物倒装芯片方法，在晶圆片级状况下可把导电胶用模板印刷。

　　2. 测试技术

　　IBM公司通过对测试电路有限区域焊接，测试C4产品，并用机械的方法断开临时接线。虽然由于变形，对共晶焊料凸点芯片测试和老化仍然是个问题。新的接口技术预计允许共晶凸点的测试和老化。

　　3. 压焊技术

　　共晶焊料构成的凸点，包含压焊和连接材料。用免清洗焊剂涂覆凸点，并置于板上像普通的SMD元件一样进行焊料回流。几种拾-放机可提供焊剂，使用的是“焊剂熔解轮”。仅对凸点提供焊剂是较难的，特别是当使用下填充物时，此熔解轮将被用来给凸点和导电胶提供焊膏。

　　不熔的芯型凸点，诸如镍凸点，要求增加连接材料作为组装工艺过程的一部分。可把焊料进行丝网印刷、模板印刷或针式分配到电路载体上，接着放置芯片并进行焊料回流。把SMD和倒装片一起装配到陶瓷上是可行的，此方法可应用于汽车电子行业。

　　使用印刷或分配方法可把导电胶提供给电路载体或凸点，一种令人感兴趣的方法，即聚合物浸涂芯片法（PDC）。使用装满粘附膏的“焊剂熔解轮”，在旋转盘或别的储层的外面涂覆胶粘剂，厚度略小于凸点高度。把芯片放入膏中并用粘着凸点的胶粘剂抽出，把倒装芯片置于电路上并进行胶粘剂固化。

　　4.下填充技术

　　假定描述的低成本凸点形成技术和压焊方法能够获得低成本、小尺寸和高速率，那么可靠性状况怎样呢？硅（<3×10-6/℃）和有机基板（18～50×10-6/℃）之间的热机失配状况如何？此类问题的解决方法是令人高兴的，既简单又节省成本。填入下填充物材料聚合物（如图3），下填充物是简单的被填在PCB和已压焊芯片之间的一种填充的矿物胶粘剂合成物。组装和测试之后，通过毛细作用在芯片间隙之下把液态材料进行塑流。下填充物被分配到芯片的一面或两面，产品能够在几秒钟内在典型的250密耳芯片下塑流。通过在发生初始配料处的芯片的对侧面，提供更多的下填充物，可有选择地形成凸焊缝。接着，把下填充物硬化成为加强验收等级的热循环性能结构。

　　把硅器件直接压焊到有机电路上将产生危险的热机应力和热机疲劳。在每个热循环阶段，PCB将比硅以更高的速率扩展并收缩。当在热循环期间发生变形时，焊接材料诸如倒装片上的焊料凸点将经历加工硬化和加工蜕化过程。通过集中应力，极低的凸点高度（1~4密耳）加重了这一问题。

　　在倒装片和PCB之间加入下填充物可靠性提高了一个数量级或更多。最简单的解释为，经过硬化的下填充物把板移动定位在硅芯片的移动上。低膨胀、极高模量无机硅至少在表面上成为限制有机PCB膨胀的约束力。下填充物必须是相对坚硬的、高模量的和能够把硅及PCB固定在一起的材料。下填充物的热膨胀系数应该接近于焊接材料的热膨胀系数，对焊料而言为25×10-6/℃。如果下填充物的热膨胀系数（CTE）太高或太低，都将产生垂直应力，并且焊接将失效。可通过给聚合物系统增加矿物填充剂，调整CTE。

优点

　　倒装芯片是现在最常见的一种高连接密度芯片尺寸封装CSP。在FC（倒装芯片封装技术）中，芯片倒扣在封装衬底上，互连凸点阵列分布于硅片表面，取代了金属丝压焊连接，属于一种面阵列封装。与常规的引线键合相比，FC最主要的优点为：

　　①拥有密度的I/O 数；

　　②由于采用了凸点结构，互连长度大大缩短，互连线电阻、电感更小，封装的电性能得到极大地改善；

　　③芯片中产生的热量可通过焊料凸点直接传输到封装衬底，通常在芯片衬底都装有散热器，故芯片温度会更低。

前景

　　对于较小外形和较多功能的低成本电子设备的需求继续在增长，这些快速变化的市场正在挑战着电子制造商，降低制造成本以保证可接受的利润率。倒装芯片装配被认为是推进低成本，高密度便携式电子设备的制造所必须的一项技术。倒装芯片如今在各类产品中已开始生产--构建于FR-4及光盘驱动挠曲电路上。封装技术还持续地推动着材料科学与技术的发展，全球很多家公司正在研究并开发倒装芯片技术。半导体制造商正在研究销售凸点芯片，设备制造商保证他们能够应对倒装片技术。虽然倒装芯片和别的CSP对PCB行业提出了严格的要求，但是底部结构将很快填补，赢得简易化。