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[技术交流] 倒装芯片技术


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发布时间:2012/7/24 10:32:47
倒装芯片技术

1.简介倒装芯片封装技术( Flip Chip.FC)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使用了在第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,解除了BGA为增加引脚数而需扩大体积的困扰。

FC最主要的优点是拥有最高密度的I/O数,这是TAB(载带自动键合)和WB(引线键合)这两种芯片互连技术所无法比拟的,这要归功于FC芯片的Pad(焊盘)阵列排布,它将芯片上原本是周边排布的Pad进行再布局,最终以陈列方式引出。据报道,采用这种方式可获得直径为25卜Lm、中心间距为60ym的128×128个凸点。而TAB和WB中的Pad均为周边排布。与BGA -样,它要求多层布线封装衬底(或电路板)与之匹配。

FC的组装工艺与BGA类似,其关键是芯片凸点与衬底焊盘的对位。凸点越小,间距越密,对位越困难。通常需要借助专用设备来精确定位,但对焊料凸点而言,由于焊料表面张力的存在,所以焊料在回流过程中会出现一种自对准现象,使凸点和衬底焊盘自对准,即使两者之间位置有较大的偏差,通常都不会影响FC的对位。这也是FC封装备受欢迎的~个重要原因。FC既是一种高密度芯片互连技术,又是一种理想的芯片贴装技术。正因为如此,它在CSP及常规封装(如BGA、PGA)中都得到了广泛的应用。例如,Intel公司的PII及PIII芯片就是采用FC互连方式组装到FC- PBGA、FC- PGA中的。而FC技术公司的FC- DCA则是一种超级CSP。

严格地讲,FC由来已久,它并不是一项新技术。早在1964年,为克服手工键合可靠性差和生产率低的缺点,IBM公司在其360系统中的固态逻辑技术(SLT)混合组件中就首次使用了该项技术。但从20世纪60年代直至80年代这种技术一直都未能取得重大的突破,直到最近十年随着材料、设备以及加工等各工艺的不断发展,同时随着电子产品小型化、高速化、多功能趋势的日益增强,FC才再次得到了人们的广泛关注。

2.倒装片的工艺和分类与传统的表面贴装元器件不同,倒装芯片元器件没有封装外壳,横穿整个管心表面的互连阵列替代了周边线焊的焊盘。封装体内倒装芯片结构图如图8-26所示。管心以翻转的形式直接被安置在板上或者向下有源电路上面。由于取消了对周边I/O焊盘的需要,互连线的长度被缩短了,所以可以在没有改善元器件速度的情况下,减少RC延迟时间。图8-26显示了倒装芯片装配的变化形式,采用控制塌陷芯片连接技术可以在3 2000C高温时,熔化含有大量锡的焊球,但是此项技术仅被用于陶瓷基片的应用场合。

倒装芯片有3种主要的连接形式,即控制塌陷芯片连接、直接芯片连接( Direct ChipAttach,DCA)和胶粘剂连接的倒装芯片。

(1)控制塌陷芯片连接控制塌陷芯片连接( C4)是一种超精细间距的BGA技术。管心具有3Sn/97Pb、球栅阵列,在0. 2mm×0.254mm的节距上,一般所采用的焊球直径为0.1~0.127mm,焊球可以被安装在管心的四周,也可以采用全部或者局都的阵列配置形式。使用C4互连技术的倒装芯片,通常被连接到具有金或者锡连接焊盘的陶瓷基片上面,这主要是因为陶瓷能够忍受较高的再流焊接温度。

这些元器件不能使用标准的装配工艺进行装配操作,因为3Sn/97Pb再流焊焊接温度为3200C,对于C4互连而言,尚没有其他的焊料可以用。代替焊膏的高温焊剂被涂布在基片的焊盘上面或者在焊球上面。元器件的焊球被安置在具有焊剂的基片上,使元器件不发生移动现象。装配时的再流焊温度大约在360℃,此刻焊球发生熔化从而形成互连。当焊料发生熔化时,管心利用其自身拥有的易于自动对准的能力与焊盘连接,这种方式类似于BGA组件。当焊料“塌陷”到所控制的高度时,就形成了桶型互连形式。

对于C4元器件而言,进行大批量生产应用的主要是陶瓷球栅阵列(CBGA)和陶瓷圆柱栅格阵列( CCGA)组件的装配。另外,有些组装厂商在陶瓷多芯片模块(MCM- C)的应用中使用这项技术。目前已在生产应用的元器件具有3~1 5001/0,而开发设计是瞄准超过3 000 110元器件的。C4元器件具有的主要优点如下。

1)组件具有优异的热性能和电性能。

2)在中等焊球节距的情况下,能够支持极大的110数量。

3)不存在I/O焊盘尺寸的限制。

4)通过使用群焊技术,可进行大批量可靠装配。

5)可以实现最小的元器件尺寸和重量。

另外,C4元器件在管心和基片之间能够采用单一互连,从而提供最短的、最简单的信号通路。而降低界面的数量,可以减小绪构的复杂程度,提高其固有的可靠性。

要成功实施C4技术在技术方面所遇到的挑战很少,通过已经开发的工艺方法和在生产过程的实际应用已经证明了这一点。然而,这项经验是建立在尚没有被业界广泛应用的基础上的,当封装厂商试图实施这项技术时,发现他们最大的挑战在于如何学会利用这项技术来生产他们的产品。一般来说,可以从最初开发出这项技术的公司中获得相关的帮助。

因为C4元器件仅能够被安置在陶瓷基片上面,它们最具竞争性的是在高性能、高I/O数量的元器件应用场合,例如,在CBGA、CCGA、MCM的应用中。

(2)直接芯片连接直接芯片连接( Direct Chip Attach.DCA)技术,像C4技术一样,是一种超微细节距的BGA形式,管心与在C4中所描述的完全一样。C4和DCA之间不同之处在于所选择的基片不同。DCA基片所采用的一般为用于PCB(印制电路板)的典型材料,所采用的焊球是3Sn/97Pb,与之相连的焊盘采用的是低共熔点焊料(63Sn/37Pb)。为了能够满足DCA的应用需要,低共熔点焊料不能通过模板印制施加到焊盘上面,这是因为它们的节距极细的缘故。作为一种替代方式,板上的焊盘必须在装配以前涂覆上焊料.在焊盘上焊料的容量大小是非常关键的,与其他超细微节距的元器件相比,它所施加的焊料显得略多,0.05~0. 127 mm焊料被释放在焊盘上面,使之显现出半球形的形状,在元器件贴装以前必须使之平整,否则焊球不能够可靠安置在半球形的表面上。为了能够满足标准的再流焊接工艺流程,直接芯片互接技术混合采用具有低共熔点焊膏的高锡含量凸点。这些元器件能够使用标准的表面贴装工艺方法进行装配,施加到管心上的焊剂与在C4中采用的相同。在DCA装配时所采用的再流焊接温度大约为2200C,低于焊球的熔化温度而高于连接焊盘上的焊料熔化温度。在管心上的焊球起到了刚性支持作用,焊料填充在焊球的周围,因为这是在两个不同的Sn- Pb焊料组合之间形成的互连,在该处焊盘和焊球之间的界面将消失,在互相扩散的区域具有从Sn- Pb形成光滑的梯度。通过刚性的支撑,管心不会像在C4中那样发生“塌陷”现象,但是特有的趋于自我校准的能力仍然保持不变。大规模的生产应用DCA器件的目的,不在于它所具有的较高的I/O数量,而是主要在于它的尺寸、重量和价格。

DCA元器件的优点类似于前面所述的C4。由于它们能够在标准的表面贴装工艺处理下被安置到电路板上面,所以能够适合这项技术的潜在应用场合数不胜数,尤其在便携式电子产品的应用中。

然而关于DCA技术的优点也不能过于夸大,要实现它仍存在一些技术方面的挑战。当有经验的封装厂商在生产过程中使用这项技术时,需要继续重新处理和改善其工艺流程。业界实际上还没有对此项技术广泛的工艺处理经验,为了消除在管心周围围绕的复杂封装,所有复杂的高密度连接直接进入PCB内,形成了复杂的表面贴装技术。

(3)胶粘剂连接的倒装芯片胶粘剂连接的倒装芯片( Flip Chip Adhesive Attachment,FCAA)可以具有很多形式,它用胶粘剂来代替焊料,将管心与下面的有源电路连接在一起。胶粘剂可以采用各向同性的导电材料、各向异性的导电材料,或者采用根据贴装情况选择的非导电材料。另外,采用胶粘剂可以贴装陶瓷、PCB基板、柔性电路板和玻璃材料等,这项技术的应用非常广泛。

3.倒装芯片的凸点技术FC基本上可分为焊料凸点FC和非焊料凸点FC两大类。尽管如此,它佃的基本结构是一样的,即每一个FC都是由IC、UBM(Under-Bump Metal Lurgy,凸点与金属焊区的金属层)和Bump(凸点)组成的。图8-27所示的是一个典型的芯片凸点结构示意图。UBM是在芯片焊盘与凸点之间的金属过渡层,主要起粘着和扩散阻挡的作用,它通常由粘着层、扩散阻挡层和浸润层等多层金属膜组成。目前采用溅射、蒸发、化学镀、电镀等方法来形成UBM。Bump则是FC与PCB电连接的惟一通道,也是FC技术中最富吸引力之所在。

(1) UBM的制作能用来制作UBM的材料有很多,主要有Cr、Ni、V(钒)、Ti/W、Cu和Au(金)等。

同样,制作UBM的方法也不少,最常用的有溅射、蒸发、电镀和化学镀等几种,其中采用溅射/蒸发、电镀工艺制作UBM需要较大的设备投入,成本高,但其生产效率相当高。而采用化学镀方法,成本则低得多,据预测它将成为今后的发展方向。目前使用较广泛的Ni/AuUBM就是采用的化学镀方法。

(2)几种不同的凸点根据制作方法不同,凸点大致可分为焊料凸点、金凸点及聚合物凸点3大类。

1)焊料凸点( Solder Ball Bump)。凸点材料为含Pb焊料,一般有高Pb (lOSn/90Pb)相共晶( 63Sn/37Pb)两种。

2)金凸点( Gold Bump)。凸点材料可以是Au和Cu,通常是采用电镀方法形成厚度为20ptm左右的Au或Cu凸点,Au凸点还可以采用金丝球焊的方法形成。

3)聚合物凸点( Polymer Bump)。聚合物倒装晶片(Polymer Flip Chip)采用导电聚合物制作凸点,设备和工艺相对简单,是一种高效、低成本的FC。

由于组装工艺简单,所以焊料凸点技术应用最为广泛。金凸点虽然制作工艺较焊料凸点简单,但在组装中需要专门的定位设备和专用粘接材料,如ACF(各向异性导电薄膜),因此它多用于产品开发阶段;而PFC作为一种新兴起的FC,具有很好的应用前景。

(3)焊料凸点的制作焊料凸点FC因其优良的电、热性能及组装简便等诸多优点,吸引了业界广泛的关注,人们在不断地开发各种各样的焊料凸点制造技术。

1)电镀凸点。这是最常用的凸点制造技术。

2)印刷凸点。这种方法实际上就是SMT工艺中的丝网印刷技术。众所周知,精密丝网印刷的分辨率一般都在0.3~0. 4mm范围,低于0.3mm时会带来许多缺陷,而采用该方法印刷焊料凸点,间距通常为0. 254mm和0.304mm。这就对丝网、刮刀及印刷机等提出了更高的要求。

3)喷射凸点。喷射凸点,又称为MJT(Metal Jetting TECHNOLOGY)。这是一种创新的焊料凸点形成技术,它借鉴了计算机打印机中广泛使用的喷墨技术,熔融的焊料在一定压力的作用下,形成连续的焊料滴,通过静电控制,可以使焊料微滴精确的滴落在所需位置。该技术制作焊料凸点具有极高的效率,喷射速度可高达44 000滴/秒。

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