芯片熱管理，倒裝芯片封裝“難”在哪？

來源 :道芯IC

芯片功耗提升,散熱重要性凸顯...

01概述Summarize

底部填充料在集成電路倒裝芯片封裝中扮演著關(guān)鍵的角色。在先進封裝技術(shù)中，底部填充料被用于多種目的，包括緩解芯片、互連材料（焊球）和基板之間熱膨脹系數(shù)不匹配所產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力，分散芯片正面的承載應(yīng)力，保護焊球、提高芯片的抗跌落性和熱循環(huán)可靠性，以及在高功率器件中傳遞芯片間的熱量。

根據(jù)使用場景的不同，底部填充膠通常分為三種類型。首先是用于填充芯片與封裝基板之間凸點間隙的倒裝芯片底部填充膠，其精度通常在微米級。

其次是用于填充封裝基板與PCB印制電路板之間焊球間隙的（焊）球柵陣列底部填充膠，其間隙精度為毫米級，對底部填充膠的要求相對較低。第三種是用于晶圓級封裝。在這些應(yīng)用中，倒裝芯片底部填充膠的市場占比最大。

■ 傳統(tǒng)Underfill流程

02材料分類

Material Classification

倒裝芯片底部填充料填充在集成電路芯片與有機基板之間的狹縫中，起到密封保護連接焊點的作用。底部填充料是影響倒裝芯片組裝質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。由于芯片、有機基板、焊料連接和填充材料屬于不同材質(zhì)，它們的熱膨脹系數(shù)存在差異。

在沒有底部填充的情況下，芯片與有機基板的熱膨脹系數(shù)差異最大，導(dǎo)致在溫度變化時整個封裝體易發(fā)生形變，且在芯片與有機基板互連點上出現(xiàn)剪應(yīng)力。

底部填充料的關(guān)鍵作用在于調(diào)節(jié)上述現(xiàn)象，使整個系統(tǒng)的熱膨脹系數(shù)介于芯片和基板之間，加強焊接連接的強度，降低連接點的疲勞應(yīng)力，從而延長產(chǎn)品壽命。

■ 倒裝芯片用材料

Underfill材料主要由有機粘合劑、填料、固化劑、催化劑、偶聯(lián)劑、潤濕劑、阻燃劑、消泡劑以及其他添加劑構(gòu)成。

■ Underfill材料

根據(jù)填充階段的不同，底部填充技術(shù)可分為后填充和預(yù)填充兩種類型。傳統(tǒng)的底部填充技術(shù)通常在倒裝芯片互連后進行。隨著系統(tǒng)集成度的不斷提高，倒裝芯片上凸點的尺寸和間距變得越來越小，當(dāng)間距小于100微米時，傳統(tǒng)的后填充技術(shù)常常存在凸點填充不完全或產(chǎn)生孔洞等缺陷，導(dǎo)致封裝互連的可靠性下降。

為了適應(yīng)倒裝芯片窄間距互連的填充需求，預(yù)成型底部填充技術(shù)應(yīng)運而生。這種技術(shù)簡化了工藝流程，并且能夠有效地對窄間距互連（小于100微米）進行良好的底部填充。

預(yù)成型底部填充技術(shù)指的是在芯片互連之前將底部填充料施加在芯片或基板上，在隨后的回流或熱壓鍵合過程中，同時完成芯片凸點互連和底部填充固化的工藝步驟。

03工藝分類

Process Classification

根據(jù)填充工藝的分類，后填充可分為毛細管底部填充（CUF）和塑封底部填充（MUF），而預(yù)填充則主要涵蓋非流動底部填充料（NUF）、晶圓級底部填充料（WLUF）、非導(dǎo)電漿料（NCP）和非導(dǎo)電膜（NCF）。

■ Underfill材料分類

1）毛細管底部填充（CUF）技術(shù)依賴毛細作用將材料填充在芯片和芯片載體之間。首先，在帶有凸點的基板上涂覆一層助焊劑，然后將芯片焊料凸點對準(zhǔn)基板焊盤，加熱使焊料回流，實現(xiàn)上下凸點的互連。

隨后，通過溶劑噴霧等方式清洗助焊劑，然后沿著芯片邊緣注入底部填充料。底部填充料借助毛細作用會被吸入芯片和基板的空隙內(nèi)，最后進行加熱固化。目前，市場上大部分底部填充料采用毛細管底部填充技術(shù)，廣泛應(yīng)用于手機等許多電子器件的小尺寸芯片封裝中。

■ FC封裝中CUF的填充工藝過程

2）塑封底部填充（MUF）技術(shù)將底部填充料的填充和器件塑封兩個步驟合二為一。在進行塑封的同時，底部填充料進入芯片和基板之間的空隙，在隨后的固化過程中完成填充和密封。相較于毛細管底部填充工藝，塑封底部填充工藝（MUF）更為簡便快速。

■ MUF工藝優(yōu)勢

3）非流動底部填充料（NUF）工藝不依賴于液體的毛細作用。在芯片和基板互連之前，首先在基板表面涂覆非流動底部填充料，然后在焊料回流過程中同時完成焊球互連和底部填充料的加熱固化。這一工藝省去了毛細管底部填充工藝中助焊劑的涂覆和清除步驟，提高了生產(chǎn)效率。

■ NUF工藝流程

4）晶片級底部填充料（WLUF）是針對晶片級封裝而設(shè)計的填充方式。在晶圓上，通過適當(dāng)?shù)耐扛补に嚕ㄈ鐚訅夯蛲扛玻┨砑右粚拥撞刻畛淞?，并對其進行加熱以去除溶劑以進行預(yù)固化。隨后，通過平整化處理露出互連凸點，然后對晶圓進行切割，以獲得帶有凸點的單個組件。最后，這些組件通過表面安裝工藝與基板連接起來。

5）非導(dǎo)電漿料（NCP）工藝可以通過熱壓的方式直接讓凸點和焊盤接觸，實現(xiàn)電互連，省去了與助焊劑相關(guān)的步驟。該材料在固化后主要用于形成機械連接，并維持凸點和焊盤的接觸壓力。

■ 面向窄節(jié)距凸點互連的NCP非流動底部填充技術(shù)工藝流程

6）非導(dǎo)電膜（NCF）材料具有柔軟性，可作為卷材夾在塑料薄膜（如PET）中使用，適用于圓片級封裝。NUF與NCP/NCF有所不同，NUF的非流動性在焊料回流過程中同時實現(xiàn)封裝材料和助焊劑等與焊球的互連。而NCP/NCF是一種非導(dǎo)電材料（膜），通過倒裝鍵合的熱壓方式完成焊球的互連和封裝材料的固化過程。

■ 不同類型的底部填充材料和相關(guān)工序