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引言* d& G0 a4 x4 h
翻转芯片技术已成为半导体行业中不可或缺的封装方法，在性能、尺寸减小和功能增加方面具有优势。本文概述翻转芯片技术，包括晶圆凸块制作工艺、组装方法和进展。0 `3 l- K) q. o: v) Z$ U) }
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5 T/ D X- G: N p' o- ^) E5 [翻转芯片技术简介
! A6 a5 |1 y$ _) m) r, J. y翻转芯片技术由IBM在20世纪60年代初引入，涉及将芯片的有源表面直接通过导电凸块连接到基板上。与传统的引线键合相比，这种方法具有以下优势：
" j) M: ]: P0 e/ _$ D3 z由于互连更短，电气性能更好更高的I/O密度更小的封装尺寸更好的散热性能) k% J4 I, b* |6 N/ ^& Y z
. j% ^3 \7 U" h6 {, W
晶圆凸块制作工艺
& B$ ~( X5 T3 m, M e晶圆凸块制作是翻转芯片技术中的关键步骤。两种常见的方法是模板印刷和电镀。% F- q$ K3 o' p4 f
7 q: l# f& v2 y% @$ K* ^
模板印刷& Q4 t9 O4 H% t: E
模板印刷是一种简单且具有成本效益的晶圆凸块制作方法。过程包括：通过模板将锡膏涂到晶圆焊盘上回流锡膏形成凸块
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图1说明了准备进行模板印刷的晶圆：1 B' e7 H' J6 ?; A3 f4 ?( b4 r* p6 V
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+ f7 ]( S+ o! Q6 r/ _+ t3 p图1
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该图显示了一个8英寸晶圆，每个芯片有48个焊盘，焊盘间距为0.75毫米。使用的模板具有不同的开口尺寸和形状，以优化凸块形成。6 B/ Q8 _; w$ H+ k
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C4（受控塌陷芯片连接）晶圆凸块制作
b2 n' ^ g) b1 k4 BC4凸块制作通常通过电镀完成，包括以下步骤：溅射凸块下金属层（UBM）涂布和图案化光刻胶电镀铜和焊料剥离光刻胶并蚀刻UBM回流焊料形成球形凸块; A* Y: x9 T7 H6 F. I! B- ]8 Y+ P
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5 P& M K) A3 p2 ^图2说明了C4晶圆凸块制作过程：2 f4 I" W6 ~# e' N: v( T( m
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' O3 @4 w& ^' c+ ?6 l图2; P6 j/ s) i8 S/ w/ }
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C2（芯片连接）晶圆凸块制作
3 C. I/ v, w: o/ b9 `/ IC2凸块制作是C4的一种变体，使用带有焊料帽的铜柱。这种方法允许更细的间距和更好的热电性能。该过程与C4凸块制作类似，主要区别在于在焊料帽之前电镀铜柱。
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% j j& s' Z) i$ |* _图3显示了C2晶圆凸块制作过程：% p4 O9 I% p W7 M
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图3
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翻转芯片组装方法" g" y; @( s5 R u! z
有几种方法可以将翻转芯片组装到基板上。选择取决于凸块类型、间距和可靠性要求等因素。# m# ?$ p' m. d1 S- l; d& s# y* O
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C4或C2凸块的批量回流（CUF）& u2 a0 |* P" B5 h
这是最常见的翻转芯片组装方法，包括：在凸块或基板上涂助焊剂将芯片放置在基板上回流组件形成焊点为提高可靠性而施加毛细管底填充（CUF）
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图4说明了这个过程：
7 ~4 M7 S& h2 @- n
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" E& A5 x# R" `4 Q/ p, ~图4/ M- x$ n, K9 Q1 q) w, n j( [
' v8 E1 \ K6 ^& [( r低力热压键合（TCB）（CUF）
1 ?2 q+ F/ N- O0 H6 r对于更高的引脚数和更细的间距，使用低力TCB：涂助焊剂将芯片放置在基板上施加热量和低压力形成焊点施加毛细管底填充
6 i8 ]* K1 Y, H; U* s3 `[/ol]
' Q: G9 L+ Y8 h: e% @图5显示了这个过程：' @; n7 B: {1 A( q
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o" B- ^0 S) a; F% J4 g
图5
$ D6 C4 F6 d& N3 {" C% M! _/ S( O1 ~9 s
高力TCB（NCP/NCF）
; G* g$ g- k& u* W& h3 t) }# v8 ~. t对于更细的间距和更薄的封装，使用高力TCB和预先涂布的底填充：在基板或芯片上涂布非导电糊料（NCP）或薄膜（NCF）将芯片放置在基板上施加热量和高压力同时形成互连并固化底填充! o; Q# a8 {" B! P( ^6 C
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- Z; Y3 j9 B8 _3 Y8 U图6和7说明了这些过程：8 z+ F& K; f Q5 C; e
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0 c. S) k9 D: m, y0 }, I( b$ U7 Q
图6
8 Y7 ^: }; b5 T2 q+ `$ F3 _* ]9 Z! t! H* s+ w
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& P% E' ^+ F1 r图74 _4 u( @# B7 X- }- b U3 j: n
& z) [- f- k3 ?7 P9 J) O
0 j* ]) D: w! A' U用于可靠性的底填充' D& t* V& B, r; ]1 w7 q
底填充对翻转芯片组件的可靠性非常重要，特别是在有机基板上。它有助于分散应力并保护焊点免受热疲劳和机械疲劳。
4 x/ E) |( n* K& i& _$ w
0 A# {/ z* G3 R: A$ F( |/ i2 E0 w图8显示了底填充分配过程：0 U) V& u4 k4 H: [5 X5 a9 N
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2 D) |8 X, p" s- O X/ w. A
图8$ H+ p U. [% w; u
" E/ g5 L5 L" l' l先进的翻转芯片组装：C2凸块的LPC TCB
; L0 \! L% u2 [% ~7 w5 T" W翻转芯片组装的最新进展是液相接触（LPC）TCB工艺。这种方法提供更高的产量和更好的焊点高度控制。
; U6 L( j( M- r; o7 G. ^5 U& S" s
LPC TCB的主要特点：
! e% C1 q5 H" q4 K" \7 k- @7 {焊料在接触基板之前熔化更短的键合周期时间（精确控制焊点厚度9 V0 ?3 L, n1 f+ e4 ]0 r
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图9说明了LPC TCB过程：
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图9
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6 C- H# M3 p! z5 U2 l. xLPC TCB的优势：) q% B) }" V, j
更高的产量（每小时可达1，200单位）优秀的焊料润湿性精确控制支撑高度3 \& Q: ~+ v c; t+ k$ E
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图10显示了使用LPC TCB的芯片上基板（CoS）组件的横截面：
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图100 v, e5 E: y% I1 u0 R o
/ S# L$ Z6 U+ W4 X焊点质量和可靠性
/ T" y* X& r, z: O+ ]焊点的质量和可靠性对翻转芯片组件非常重要。影响接头质量的因素包括：0 E: {* J/ ~7 H
金属间化合物（IMC）的形成焊点支撑高度热循环性能
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图11比较了不同工艺形成的焊点的界面微观结构：
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9 ~$ t8 ~% b6 n0 w! X9 V" K! z图11+ X" a2 e7 `: l# \: H" G5 B4 ?$ M
: N4 b( @) G7 p. `未来趋势和建议- O) L- s2 \2 p' B s3 A6 M7 M
随着半导体行业的不断发展，翻转芯片技术正在演变以应对新的挑战：5 s1 ?: `6 Y9 U! u+ y
增加引脚数（高达10，000个）减小焊盘间距（低至30μm）更薄的芯片和基板
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图12总结了不同翻转芯片组装方法的当前能力：
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图12 _5 b8 Q: j1 A0 p9 ]
5 N& x8 C: }6 y% p9 N
对翻转芯片技术的建议：对于大多数应用，在有机基板上使用C4凸块的批量回流和CUF仍然是最广泛使用的方法。对于更高的引脚数和更细的间距，考虑使用小力TCB和C2凸块。对于最高的引脚数和最细的间距，使用大力TCB和带有NCP/NCF的C2凸块。关注LPC TCB等进展，以潜在地提高产量和焊点质量。) ]0 Z; p$ U: w# F h
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结论0 q; f% o4 s' |2 Y
翻转芯片技术继续成为半导体行业中的重要封装方法。通过了解各种凸块制作工艺、组装方法和最新进展，工程师可以为其特定应用需求选择最合适的技术。随着行业向更高集成度和更小的外形因素发展，翻转芯片技术将在实现电子设备中发挥越来越重要的作用。 [4 o, l9 Q9 V. n
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参考文献' ^& Z6 U2 x. H* `& P
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! o f& G( n" Z5 c$ ]& V D关于我们：0 @0 t& i8 p# f# c/ z
深圳逍遥科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家专注于半导体芯片设计自动化（EDA）的高科技软件公司。我们自主开发特色工艺芯片设计和仿真软件，提供成熟的设计解决方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分别针对光电芯片、微机电系统、超透镜的设计与仿真。我们提供特色工艺的半导体芯片集成电路版图、IP和PDK工程服务，广泛服务于光通讯、光计算、光量子通信和微纳光子器件领域的头部客户。逍遥科技与国内外晶圆代工厂及硅光/MEMS中试线合作，推动特色工艺半导体产业链发展，致力于为客户提供前沿技术与服务。
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