芯片封裝技術的流程及其優(yōu)勢解析

如果大家手上有一顆芯片，要把這個芯片固定在電路板或其他基板上，實現(xiàn)芯片性能的正常輸出，最常見的可以采用的方法有三種：

第一種是通過引線連接，采用導電性好的金絲將芯片管腳與電路相連接，稱為wire bonding。 第二種是管腳貼合技術，將金絲轉換成銅箔，銅箔與芯片管腳的凸點貼合，稱為TAB。 第三種是倒裝技術，是將芯片上導電的凸點與電路板上的凸點通過一定工藝連接起來，稱為Flip chip。

由于半導體越來越集成化，體積越來越小，性能越來越高，于是倒焊技術越來越廣泛的得到了應用。 倒裝芯片工藝是指通過在芯片的I/0 焊盤上直接沉積，或者通過 RDL 布線后沉積凸塊（包括錫鉛球、無鉛錫球、銅桂凸點及金凸點等)，然后將芯片翻轉，進行加熱，使熔融的焊料與基板或框架相結合，將芯片的 I/0 扇出成所需求的封裝過程。倒裝芯片封裝產(chǎn)品示意圖如圖所示。

與傳統(tǒng)的引線鍵合工藝相比，倒裝芯片封裝工藝具有如下優(yōu)點。 （1）VO 密度高。 （2） 由于采用了凸點結構，互連長度大大縮短，互連線電阻、電感更小，封裝的電性能得到極大的改善 （3） 芯片中產(chǎn)生的熱量可通過焊料凸點直接傳輸?shù)椒庋b襯底上，因此芯片溫度會降低。 倒裝芯片包括許多不同的工藝方法。目前，業(yè)界倒裝芯片的凸點技術主要有金凸點、錫凸點及銅柱凸點，對應的焊接工藝主要為超聲波熱壓焊、回流焊及熱壓焊。由于技術的發(fā)展和產(chǎn)品的不同，底部填充工藝主要分為毛細底部填充、塑封底部填充、非導電型膠水（NCP）或膠膜 （NCF）底部填充。圖所示為凸點示意圖。

隨著圓片 CMOS 工藝不斷向 16nm、10nm、7nm 等高密度方向發(fā)展，對芯片V0的密度和性能要求越來越高，這都需要產(chǎn)品采用倒裝工藝來滿足芯片的需求。倒裝芯片對高密度微凸點技術、小節(jié)距倒裝芯片鍵合技術及底部填充技術等方面的封裝工藝及可靠性的要求也越來越高。每種工藝方法都有不同之處，且應用范圍也有所不同。例如，就電路板或基板類型的選擇而言，無論它是有機材料、陶瓷材料還是柔性材料，都決定著組裝材料（包括凸點類型、焊劑底部填充材料等）的選擇，而且在一定程度上還決定著所需設備的選擇。因此，未來倒裝芯片的封裝需要結合產(chǎn)品應用、芯片設計、封裝設計、封裝材料、封裝設備及封裝工藝來共同選擇工藝組合，以找到最優(yōu)的封裝方案。 如今，倒裝芯片技術已廣泛應用于消費類電子領域，未來在物聯(lián)網(wǎng)、汽車電子、大數(shù)據(jù)等方面的應用也會更廣泛，倒裝芯片封裝被認為是推進低成本高密度便攜式電子設備制造所必需的一項工藝。

倒裝芯片主要通過四個步驟完成： 第一步：凸點底部金屬化 (UBM=under bump metallization)

凸點金屬化是為了將半導體中P-N結的性能引出，其中熱壓倒裝芯片連接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中常用的凸點形成工藝。 UBM的沉積方法主要有： 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形成UBM圖樣，然后刻蝕掉不是圖樣的部分。 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模可用于對應的凸點的形成之中。 化學鍍:采用化學鍍的方法在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備，低成本。 第二步：芯片凸點

這部分是形成凸點，可以看做給P-N結做電極，類似于給電池加工一個輸出端。 常見的6種形成凸點形成辦法: 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 焊料轉移凸點 以典型的電鍍焊料凸點來看，其加工示意圖如下：

完成后的凸點在掃描電子顯微鏡下觀察，微觀形態(tài)是一個體型均勻的金屬球。

下圖是凸點形成前后的對比，回流加熱前為圓柱體，加熱后金屬材料融化，形成球形融化電極。

第三步：將已經(jīng)凸點的晶片組裝到基板／板卡上 在熱壓連接工藝中，芯片的凸點是通過加熱、加壓的方法連接到基板的焊盤上。 該工藝要求芯片或者基板上的凸點為金凸點，同時還要有一個可與凸點連接的表面，如金或鋁。對于金凸點，一般連接溫度在300℃左右，這樣才能使材料充分軟化，同時促進連接過程中的擴散作用。

第四步：使用非導電材料填充芯片底部孔隙 填充時，將倒裝芯片與基板加熱到70至75℃，利用裝有填料的L形注射器，沿著芯片的邊緣雙向注射填料。 由于縫隙的毛細管的虹吸作用，填料被吸入，并向中心流動。 芯片邊緣有阻擋物，以防止流出。有的使用基板傾斜的方法以利于流動。填充完畢后，在烘箱中分段升溫，達到130 ℃左右的固化溫度后，保持3到4小時即可達完全固化。 下面是填膠示意圖：

填膠完成后的芯片和基板穩(wěn)定的結合在一起，完成后的示意圖：

小結 經(jīng)過以上的四步工序，完成了芯片與基體的倒裝連接，雖然介紹起來并不復雜，但要完整完成這幾部工序依然是件系統(tǒng)的工程。倒裝芯片結構從上至下依次為藍寶石襯底、N型半導體層,發(fā)光層，P型半導體層和電極，與正裝結構相比，該結構中PN結處產(chǎn)生的熱量不經(jīng)過襯底即可直接傳導到熱沉，因而散熱性能良好，芯片發(fā)光效率和可靠性較高;倒裝結構中，p電極和n電極均處于底面，避免了對出射光的遮擋，芯片出光效率較高;此外，倒裝芯片電極之間距離較遠，可減小電極金屬遷移導致的短路風險。

審核編輯：黃飛

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