夏海梅 上海交通大学电子与通信工程学院

Flip chip封装的发展与挑战

夏海梅 上海交通大学电子与通信工程学院

1.Flip chip技术的定义

在集成电路芯片的封装领域，主流的三大技术分别是：载带自动键合技术（Tape Automated Bonding， TAB）、引线键合技术（Wire Bonding，WB）和倒装芯片技术（Flip chip， FC）。传统的引线键合技术中芯片面朝上，与之相比，倒装芯片技术将芯片面朝下，将芯片与基材直接焊接。其实现流程是先在晶片圆盘表面进行植球，然后将晶片翻转传送进贴片设备与基材进行贴片焊接。相当于将前者进行了翻转，因而称为“倒装芯片技术”。倒装芯片需要满足如下定义[1]：

(1) 使用了硅基材料作为基底；

(2) 芯片功能面电极端向下，芯片和基底直接焊接；

(3) 焊球凸点的距离通常是100到350微米，焊球的直径在60到203微米之间；

(4) 芯片连接在基底之后底部进行了填充；

2.Flip chip的发展和优点

上世纪六十年代中期开始， IBM公司[2]使用了Flip chip技术的关键工艺----C4 工艺(Con-trolled Collapse Chip Connection，可控坍塌芯片联接)、 UBM （Cr/Cr-Cu/Cu/ Au）、 SnPb 焊料（5Sn95Pb），将 IC 芯片直接与陶瓷基板相连，来进行芯片封装。Nakano 等人[3]使用了增进树脂的工艺，使得芯片与焊料，焊料与基材的热膨胀系数相适应，提高了封装技术的可靠性。

种种创新的方法和工艺使得低成本的有机基板得到了发展[4]，直接推动了FC技术面向低端市场和普通元器件消费领域的发展和进步。过去只是比较少量的特殊应用，近几年倒装芯片已经成为高性能封装上大规模使用的新型工艺，它的应用得到比较广泛快速的发展。随着微型化及人们已接受系统级封装(SiP)，倒装芯片被视为各种针脚数量低且应用的首选方法。从整体上看，其在低端应用和高端应用中的采用，根据 TechSearch Inc对市场容量的预计，焊球凸点倒装芯片的年复合增长率(CAGR)将达到 31%。

倒装晶片应用的直接驱动力来自于其优良的电气性能，以及市场对终端产品尺寸和成本的要求。与传统工艺相比具有许多明显的优点,例如良好的电性能和热性能,输入输出引脚数多，封装尺度小等等。

Flip-Chip封装的一个重大优点是电性能。传统的工艺严重限制了高频等方面的应用，而FC技术改进了芯片的电性能。突破了传统工艺下的3GHz的频率上限，一举将极限频率提高到40GHz。

Flip-Chip封装的另一个显著优点是热性能，现今的很多电子设备的耗散功率较大，传统封装技术的器件耗散功率为10W以内，FC技术封装的器件可以产生25w耗散功率。优异的热性能是FC技术采用的低热阻结构带来的，芯片所产生的热量通过散热球脚和内外热沉效应进行耗散。

3.Flip chip的技术瓶颈

FC技术的芯片尺度上非常小，要获得良好的装配率，目前依然存在不小的挑战。主要在助焊剂应用单元方面和板支撑及定位系统的控制精度方面。

对助焊剂应用单元的要求。助焊剂应用单元是一个关键的工艺流程单元，实现的目的是获得设定厚度稳定的助焊剂薄膜，达到控制各元件焊球剂量相同的目的。要做到精确的控制必须满足以下条件[5]：

(1)具备同时处理多枚元件的能力；

(2)助焊剂本身需要便于清洁和控制；

(3)流程单元需要具备处理多种助焊剂的能力；

(4)要做到对蘸取程序的高精度控制，应对每一种情况必须有相应的算法和实现。包括控制时间和浸取深度等等。

对板支撑及定位系统控制精度的挑战。有些倒装晶片是应用在柔性电路板或薄型电路板上，这时候对基板的平整支撑非常关键。以形成一个平整的支撑及精确的定位系统，满足以下要求：

(1)对于基材移动精度的控制，包括高度的可控调节；

(2)需要具有完备的真空发生器环境；

(3)具备应用标准化和非标准化基材的能力。

FC技术目前的主要技术瓶颈存在于成本方面， FC技术是对传统工艺的重大改进，原有的工艺流程和设备都需要进行调整，这给技术的革新和厂家的转型带来了不小的挑战。目前的市场仍在发展之中，投入过大的资金对产商来说性价比不足。

4.Flip chip的的未来展望

FC技术的广泛应用使得芯片整体尺寸变小，芯片厚度降低。倒装芯片的焊料凸点可以利用蒸发 (Evaporation)、电镀(Electroplate)、 焊 锡 膏 筛 选(Solder paste screening)、 锡 球 安 放(Solder ball placement)、可控塌陷芯片连接新工艺(C4NP)来制作，但是随着焊料凸点节距的缩小(＜150 μm)，300 mm 晶圆的应用，蒸发、锡球安放、焊锡膏筛选等普通工艺的使用触碰了瓶颈。而且为了提高电迁移的安全可靠性，通常需要在焊料中进行合金掺杂，这是目前的电镀工艺难以做到的事情。为了满足设备的小型化要求，实现高性能、低功耗和低成本的芯片封装，三维堆叠芯片得到了广泛的应用[6]。为了使芯片上面细节距的焊盘能够与基板上较大节距的焊盘相连，在芯片与基板之间采用利用硅通孔(TSV)技术制作的中介层(Interposer)。中介层包含了再分配层、硅通孔、焊料凸点和一些集成有源器件。带有 TSV 技术制作的中介层的2.5D或3D封装将能实现更高性能的芯片封装，在未来几年内将得到长足的发展。

[1] 李忆. 倒装晶片( Flip Chip) 装配工艺及其对表面贴装设备的要求 [J]. 电子工业专用设备, 2007, 155(12)∶ 73-76.

[2] Daniel Blass, Antonio Prats, Peter Borgesen, and Pericles Kondos . Flip Chip Underfill Process Manual∶2005 [c] Area Array Consortium 2005, Surface Mount Technology Laboratory , Universal Instruments Corporation, Binghamton, New York 13902.

[3] NAKANO F, SOGA T, AMAGI S. Resininsertion effect on thermal cycle Resistivity of Flip-Chip Mounted LSI Devices [C] // The Proceeding of the International Society of Hybrid Microelectronics Conference. New Orleans, USA∶ IEEE, 1987.

[4] 刘培生,杨龙龙,卢颖等. 倒装芯片封装技术的发展 [J]. 电子元件与材料, 2014, 33(2)∶ 1-5.

[5] Daniel Blass. Flip Chip on Flex [C].Area Array Consortium 2003, Surface Mount Technology Laboratory , Universal Instruments Corporation, Binghamton, New York 13902.

[6] 刘培生,黄金鑫,仝良玉,等.硅通孔技术的发展与挑战[J]. 电子元件与材料, 2012, 31(12)∶ 76-80.