一文了解倒裝芯片技術(shù) 半導(dǎo)體封裝技術(shù)簡介

一、半導(dǎo)體封裝技術(shù)簡介

從事半導(dǎo)體行業(yè)，尤其是半導(dǎo)體封裝行業(yè)的人，總繞不開幾種封裝工藝，那就是芯片粘接、引線鍵合、倒裝連接技術(shù)。

尤其以引線鍵合(Wire Bonding)及倒裝連接(Flip Chip Bonding)最為常見，因為載帶連接技術(shù)(TAB)有一定的局限性，封裝上逐漸淘汰了這種技術(shù)。

倒裝芯片技術(shù)是通過芯片上的凸點直接將元器件朝下互連到基板、載體或者電路板上。引線鍵合的連接方式是將芯片的正面朝上，通過引線(通常是金線)將芯片與線路板連接。

引線鍵合、載帶連接、倒裝連接各有特點。其中倒裝連接以結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高在封裝行業(yè)應(yīng)用越來越廣泛。

二、什么是倒裝芯片技術(shù)？

倒裝芯片技術(shù)起源于IBM，IBM公司在1960年研制開發(fā)出在芯片上制作凸點的倒裝芯片焊接工藝。以95Pb5Sn凸點包圍著電鍍NiAu的凸球。后來制作PbSn凸點，使用可控塌焊連接(Controlled collapse Component Connection, 簡稱C4技術(shù))，該技術(shù)最初為自己的大型計算機主機所開發(fā)的一種高可靠的封裝技術(shù)。C4芯片具有優(yōu)良的電學(xué)、熱學(xué)性能，封裝疲勞壽命至少提高10倍以上。

自從IBM研制并成功應(yīng)用C4技術(shù)后，隨后的技術(shù)發(fā)展中，一些半導(dǎo)體公司又對C4技術(shù)進行了優(yōu)化升級，其中包括Fairchild公司研制了Al凸點，Amelco公司研制了Au凸點技術(shù)。

半導(dǎo)體封裝技術(shù)也從QFP(Quad Flat Package方形扁平式)封裝工藝發(fā)展到BGA(Ball Grid Array球狀引腳柵格陣列)封裝，到最新的CSP(Chip Scale Package晶圓級)封裝。

下圖是傳統(tǒng)的QFP、BGA等工藝封裝后的器件。

伴隨半導(dǎo)體芯片體積的逐漸減小，對芯片封裝技術(shù)要求越來越高，封裝技術(shù)向著晶圓及封裝發(fā)展。

在對傳統(tǒng)芯片進行封裝時，通常是將晶圓進行切割成Die，再對每一個Die進行封裝，伴隨封裝技術(shù)的成熟，在最新的半導(dǎo)體封裝中，將封裝工藝與半導(dǎo)體工藝進行融合，在晶圓上對芯片進行統(tǒng)一封裝，再切割形成可靠性更高的獨立芯片。

隨著倒裝技術(shù)的成熟應(yīng)用，目前全世界的倒裝芯片消耗量超過年60萬片，且以約50%的速度增長，3%的晶圓封裝用于倒裝芯片凸點技術(shù)，幾年后可望超過20%。

倒裝芯片元件主要用于半導(dǎo)體設(shè)備，有些元件，如無源濾波器，探測天線，存儲器裝備也開始使用倒裝芯片技術(shù)，由于芯片直接通過凸點直接連接基板和載體上。因此，更確切的說，倒裝芯片也叫DCA(Direct Chip Attach)，下圖中CPU及內(nèi)存條等電子產(chǎn)品是最常見的應(yīng)用倒裝芯片技術(shù)的器件。

下圖是內(nèi)存條中存儲芯片通過倒裝技術(shù)與線路板連接，芯片與電路板中間通過填充膠固定。

在典型的倒裝芯片封裝中, 芯片通過3到5個密耳(1mil=25um)厚的焊料凸點連接到芯片載體上，底部填充材料用來保護焊料凸點。

下圖是一張典型的倒裝連接圖，芯片與下方的基板采用倒裝方式連接：

三、倒裝技術(shù)技術(shù)細(xì)節(jié)

在半導(dǎo)體芯片倒裝連接的過程中，有許多前后處理的工序，以下詳細(xì)介紹倒裝工藝的相關(guān)細(xì)節(jié)：

第一步：凸點下金屬化（UBM，under bump metallization）

倒裝連接第一步需在芯片表面制作凸點技術(shù)，倒裝連接的本質(zhì)是芯片上的凸點與基板上的凸點(凹槽)連接，半導(dǎo)體表面的金屬化有以下幾種方式：

(a)濺射:用濺射的方法一層一層地在硅片上沉積薄膜，然后通過照相平版技術(shù)形成UBM圖樣，然后刻蝕掉不是圖樣的部分。

(b)蒸鍍:?利用掩模，通過蒸鍍的方法在硅片上一層一層地沉積。這種選擇性的沉積用的掩?？捎糜趯?yīng)的凸點的形成之中。

(c)化學(xué)鍍:采用化學(xué)鍍的方法在Al焊盤上選擇性地鍍Ni。常常用鋅酸鹽工藝對Al表面進行處理。無需真空及圖樣刻蝕設(shè)備，低成本。

下圖是半導(dǎo)體芯片進行凸點金屬化(UBM)的流程：

由于鋁焊盤表面有一層氧化物，鍍層金屬無法粘附在氧化的表面上，因此要對鋁表面進行適當(dāng)?shù)奶幚硪郧宄趸飳印?/p>

一般的方法是在鋁焊盤上采用鋅酸鹽處理(zincation)，該技術(shù)是在鋁的表面沉積一層鋅，防止鋁發(fā)生氧化，鍍鋅工藝的一個缺點是鋁也會被鍍液腐蝕掉，因此需要采用二次鍍鋅工藝，在進行鍍鋅工藝中，有0.3-0.4mm厚的鋁將被腐蝕掉。在鍍鋅過程中，鋅沉積在鋁表面，而同時鋁及氧化鋁層則被腐蝕掉。鋅保護鋁不再發(fā)生氧化，鋅層的厚度很薄。

在進行鍍鋅工藝后，進一步采用化學(xué)鍍鎳用作UBM的沉積，金屬鎳起到連接/擴散阻擋的作用。鎳的擴散率非常小，與焊料也幾乎不發(fā)生反應(yīng)，它僅與錫有緩慢的反應(yīng)，因此非常適合作為共晶焊料的UBM金屬?；瘜W(xué)鍍鎳既可以用于UBM金屬的沉積，也可以用來形成凸點。在部分倒裝凸點的表面會進一步鍍金，由于金導(dǎo)電性能好，且不易氧化，可增加倒裝連接的可靠性。

第二步: 回流形成凸點

焊料凸點方法有蒸鍍焊料凸點、電鍍焊料凸點、印刷焊料凸點、釘頭焊料凸點、放球凸點、焊料轉(zhuǎn)移凸點等不同工藝，其中電鍍焊料及印刷焊料工藝使用較廣泛。

在半導(dǎo)體表面凸點金屬化后，通過回流爐將金屬化部分形成倒裝球。

回流形成凸點的大致過程如下圖所示：

其中電鍍焊料凸點的具體形成過程如下圖：

凸點常用的材料是Pb/Sn合金，因為其回流焊特性好，適合工業(yè)化生產(chǎn)。

除了常見的Pb/Sn合金，凸點也有Au/Ni合金等凸點材料，為了保證可靠的互連，UBM必須與用于凸點的焊料合金相容。適合高鉛的UBM不一定適合高錫焊料。例如Cu潤濕層合適于含錫3-5%的高鉛焊料，但是不適合于高錫焊料，因為Cu與Sn反應(yīng)迅速而生成Sn-Cu金屬間化合物。如果Cu被消耗完畢，焊料將與焊區(qū)不潤濕。

下圖是不同的凸點材質(zhì)件的倒裝連接：

芯片表面形成的凸點在掃描電鏡下觀察到的外觀如下圖所示：

下圖中的左圖是回流（高溫）前的凸點狀態(tài)，右圖是經(jīng)高溫后的凸點狀態(tài)，經(jīng)高溫后凸點融化成球形。

化學(xué)鍍UBM和絲網(wǎng)印刷工藝(Electroless UBM and Stencil Printing)是工業(yè)應(yīng)用中低成本倒裝焊凸點制備方法。

以下是絲網(wǎng)印刷凸點制作流程（Stencil Printing Process Flow）及完成后的凸點形貌：

第三步：倒裝芯片組裝

此工序是將完成凸點制作的芯片與載板進行倒裝互聯(lián)。

熱壓倒裝技術(shù)是芯片與載板連接的常用方法，最合適的凸點材料是金，凸點可以通過傳統(tǒng)的電解鍍金方法生成，或者采用釘頭凸點方法，后者就是引線鍵合技術(shù)中常用的凸點形成工藝。

對于熱壓倒裝技術(shù)，由于壓力較大，溫度也較高，這種工藝僅適用于剛性基底，如氧化鋁或硅。另外，基板必須保證較高的平整度，熱壓頭也要有較高的平行對準(zhǔn)精度。為了避免半導(dǎo)體材料受到不必要的損害，施加壓力時應(yīng)該有一定的梯度。

第四步：底部填充與固化

倒裝連接后已完成了芯片與基板的連接，為了提高倒裝穩(wěn)定性，會在倒裝后的芯片與基板之間采用填充膠加固，填膠工藝如下圖所示：

芯片與基底之間的底部填充材料使連接抵抗熱疲勞的性能顯著提高，如果沒有底部填充，則熱疲勞將是倒裝芯片主要的可靠性問題。

(a)底部填充材料將集中的應(yīng)力分散到芯片的塑封材料中去。

(b)可阻止焊料蠕變，并增加倒裝芯片連接的強度與剛度。

(c)保護芯片免受環(huán)境的影響（濕氣、離子污染等）。

(d)使得芯片耐受機械振動與沖擊。

四、倒裝芯片技術(shù)總結(jié)

與一般的焊點連接一樣，倒裝芯片連接的可靠性也要受到基板與芯片的熱膨脹系數(shù)(CTE)失配的影響，此外焊點的高度、焊點之間的最大間距亦會對可靠性造成影響。連接區(qū)的裂紋多是在從連接溫度冷卻下來的過程中產(chǎn)生的。

由于金的熔點溫度高，因此它對疲勞損傷的敏感程度遠(yuǎn)小于焊料。因此，如果在熱循環(huán)中應(yīng)力沒有超過凸點與焊盤之間的連接強度，那么可靠性不會存在太大問題。

芯片與基底之間的底部填充材料使連接抵抗熱疲勞的性能顯著提高，如果沒有底部填充，則熱疲勞將是倒裝芯片主要的可靠性問題。

倒裝芯片組裝非常適用于高頻應(yīng)用領(lǐng)域，因為在這種組裝結(jié)構(gòu)中，芯片與基底之間的連接通路非常短。倒裝焊點的串連阻抗為1mW左右，串連電感為0.025nH，遠(yuǎn)小于引線鍵合中的5-10nH。

正是由于倒裝芯片組裝的這種優(yōu)點，信號的傳輸時延可以顯著降低。

五、倒裝芯片技術(shù)的優(yōu)點與缺點

(1)倒裝連接技術(shù)優(yōu)點：

(a)小尺寸: 小的IC引腳圖形 (只有扁平封裝的5%）減小了高度和重量。

(b)功能增強: 使用倒裝芯片能增加I/O的數(shù)量。I/O不像導(dǎo)線鍵合處于芯片四周而受到數(shù)量的限制。面陣列可以在更小的空間里進行更多信號、功率以及電源等互連。一般的倒裝芯片焊盤可達400個。

(c)性能增加: 短的互連距離減小了電感、電阻以及電容，保證了信號延遲減少、較好的高頻率、以及從晶片背面較好的熱通道。

(d)提高了可靠性:大芯片的環(huán)氧填充確保了高可靠性。倒裝芯片可減少三分之二的互連引腳數(shù)。

(e)提高了散熱能力：倒裝芯片沒有塑封，芯片背面可進行有效的冷卻。

(f)低成本：批量的凸點降低了成本。

(2)倒裝連接技術(shù)的缺點：

(a)裸芯片很難測試；

(b)凸點芯片適應(yīng)性有限

(c)隨著間距地減小和引腳數(shù)的增多導(dǎo)致PCB技術(shù)面臨挑戰(zhàn)；

(d)必須使用X射線檢測設(shè)備檢測不可見的焊點；

(e)和SMT工藝相容性較差；

(f)操作夾持裸晶片比較困難；

(g)要求很高的組裝精度；

(h)目前使用底部填充要求一定的固化時間；

(i)有些基板可靠性較低；

(j)維修很困難或者不可能。

審核編輯：湯梓紅