倒装芯片技术
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华中科技大学材料学院连接与电子封装中心
钉头金凸点制作
Coining (level) Flat tail bump
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第一部分
倒装芯片简介
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信号效果比较
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缺点-01
裸芯片很难测试 凸点芯片适应性有限 随着间距地减小和引脚数的增多导致PCB技术 面临挑战 必须使用X射线检测设备检测不可见的焊点 和SMT工艺相容性较差
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钉头金凸点
SBB(Stud Bond Bump)
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倒装芯片工艺概述
主要工艺步骤: 第一步: 凸点底部金属化 (UBM) 第二步:芯片凸点 第三步:将已经凸点的晶片组装到基板/板卡上 第四步:使用非导电材料填充芯片底部孔隙
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倒装芯片工艺:通过焊料焊接 -02
回流焊接: 芯片凸点放置于沉积了焊膏或者焊剂的焊盘上,整个
基板浸入再流焊炉。
清洗 :焊剂残留。
测试:由于固化后不能维修,所以在填充前要进行测试。
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优点-02
性能增加: 短的互连减小了电感、电阻以及电容,保证了信 号延迟减少、较好的高频率、以及从晶片背面较好的热通道。 提高了可靠性: 大芯片的环氧填充确保了高可靠性。 倒装芯 片可减少三分之二的互连引脚数。 提高了散热热能力:倒装芯片没有塑封,芯片背面可进行有 效的冷却。 低成本:批量的凸点降低了成本。
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第一步:凸点下金属化
(UBM,under bump metallization)
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电子制造技术基础
吴丰顺 博士/教授 武汉光电国家实验室
光电材料与微纳制造部
华中科技大学材料学院
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倒装芯片(Flip Chip)技术
是材料充分软化,同时促进连接过程中的扩散作用。
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热压与热声倒装芯片示意图
热压和热声倒装芯片连接原理示意图
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优点-01
小尺寸: 小的IC引脚图形 (只有扁平封装的5%)减小了高 度和重量。 功能增强: 使用倒装芯片能增加I/O 的数量。I/O 不像导线 键合中出于四周而收到数量的限制。面阵列使得在更小的空 间里进行更多信号、功率以及电源等地互连。一般的倒装芯 片焊盘可达400个。
凸点
热压倒装芯片连接最合适的凸点材料是金,凸点可以通过传
统的电解镀金方法生成,或者采用钉头凸点方法,后者就是
引线键合技术中常用的凸点形成工艺。由于可以采用现成的
引线键合设备,因此无需配备昂贵的凸点加工设备,金引线
中应该加入1% 的Pd ,这样便于卡断凸点上部的引线。凸点 形成过程中,晶圆或者基板应该预热到150~ 200° C。
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缺点-02
操作夹持裸晶片比较困难 要求很高的组装精度 目前使用底部填充要求一定的固化时间 有些基板可靠性较低 维修很困难或者不可能
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倒装芯片工艺:通过焊料焊接-01
焊料沉积在基板焊盘上: 对于细间距连接,焊料通过电镀、焊料溅射或者 固体焊料等沉积方法。 很粘的焊剂可通过直接涂覆到基板上或者用芯片凸 点浸入的方法来保证粘附。 对于加大的间距(>0.4 mm ),可用模板印刷焊膏。
倒装芯片示意图
在典型的倒装芯片封装中, 芯片通过3到5个密耳 (mil)厚的焊料凸点连接到芯片载体上,底部填 充材料用来保护焊料凸点.
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什么是倒装芯片?
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三种晶片级互连方法
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为什么使用倒装芯片?
倒装芯片技术的兴起是由于与其他的技术相比 ,在尺寸、外观、柔性、可靠性、以及成本等方面有
很大的优势。今天倒装芯片广泛用于电子表,手机,
便携机 ,磁盘、耳机,LCD以及大型机等各种电子 产品上。
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钉头金凸点制作
Gold wire Gold ball Ball bonding Wire breaking
Gold stud bump
Coining (level)
Gold stud
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Amelco——Au凸点
目前全世界的倒装芯片消耗量超过年60万片,且以约50%的 速度增长,3%的圆片用于倒装芯片凸点。几年后可望超过 20%。
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第四步:底部填充与固化
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不同的倒装芯片焊点
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由此模型可知:
要提高可靠性必须要求:
更高的焊点高度 更小的晶片 器件与基板的热膨胀系数(Coefficient of Thermal Expansion, CTE)相配 小的工作温度变化范围
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底部填充示意图
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倒装芯片工艺-通过热压焊接
在热压连接工艺中,芯片的凸点是通过加热、加压的 方法连接到基板的焊盘上。该工艺要求芯片或者基板上的凸 点为金凸点,同时还要有一个可与凸点连接的表面,如金或 铝。对于金凸点,一般连接温度在300 ° C 左右,这样才能
倒装芯片历史
1. IBM1960年研制开发出在芯片上制作凸点的倒装芯片焊接工
艺技术。95Pb5Sn凸点包围着电镀NiAu的铜球。后来制作
PbSn凸点,使用可控塌焊连接(Controlled collapse Component Connection, C4),无铜球包围。
2. 3. 4. 5.
Philoc-ford等公司制作出Ag-Sn凸点 Fairchield——Al凸点
不同的倒装芯片连接方法
1. 焊料焊接
2. 热压焊接 3. 热声焊接 4. 粘胶连接
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Coffin-Manson 低周疲劳模型
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底部填充: 通过挤压将低粘度的环氧类物质填充到芯片底部,然 后加热固化。
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步 骤 示 意 图
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底部填充与否
有各种不同的倒装芯片互连工艺,但是其结构基本特点
都是芯片面朝下,而连接则使用金属凸点。而最终差别就是使 用底部填充与否。
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I/O 数比较
倒装芯片与扁平封装的引脚数比较
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基板金属化
基板上的焊盘必须进行适当地金属化,例如镀金,以便
于实现连接。另外,基板应该非常平整。
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第二步: 回流形成凸点
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第三步:倒装芯片组装
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倒装芯片组装就是通过芯片上的凸点直接将元器件朝 下互连到基板、载体或者电路板上。而导线键合是将芯片的 面朝上。
倒装芯片元件是主要用于半导体设备;而有些元件,
如无源滤波器,探测天线,存储器装备也开始使用倒装芯片 技术,由于芯片直接通过凸点直接连接基板和载体上,因此 ,更确切的说,倒装芯片也叫DCA ( Direct Chip Attach ) 。