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        Flip chip封裝的發(fā)展與挑戰(zhàn)

        2016-01-02 04:36:01夏海梅上海交通大學電子與通信工程學院
        電子制作 2016年22期
        關鍵詞:助焊劑凸點焊料

        夏海梅 上海交通大學電子與通信工程學院

        Flip chip封裝的發(fā)展與挑戰(zhàn)

        夏海梅 上海交通大學電子與通信工程學院

        1.Flip chip技術的定義

        在集成電路芯片的封裝領域,主流的三大技術分別是:載帶自動鍵合技術(Tape Automated Bonding, TAB)、引線鍵合技術(Wire Bonding,WB)和倒裝芯片技術(Flip chip, FC)。傳統(tǒng)的引線鍵合技術中芯片面朝上,與之相比,倒裝芯片技術將芯片面朝下,將芯片與基材直接焊接。其實現(xiàn)流程是先在晶片圓盤表面進行植球,然后將晶片翻轉(zhuǎn)傳送進貼片設備與基材進行貼片焊接。相當于將前者進行了翻轉(zhuǎn),因而稱為“倒裝芯片技術”。倒裝芯片需要滿足如下定義[1]:

        (1) 使用了硅基材料作為基底;

        (2) 芯片功能面電極端向下,芯片和基底直接焊接;

        (3) 焊球凸點的距離通常是100到350微米,焊球的直徑在60到203微米之間;

        (4) 芯片連接在基底之后底部進行了填充;

        2.Flip chip的發(fā)展和優(yōu)點

        上世紀六十年代中期開始, IBM公司[2]使用了Flip chip技術的關鍵工藝----C4 工藝(Con-trolled Collapse Chip Connection,可控坍塌芯片聯(lián)接)、 UBM (Cr/Cr-Cu/Cu/ Au)、 SnPb 焊料(5Sn95Pb),將 IC 芯片直接與陶瓷基板相連,來進行芯片封裝。Nakano 等人[3]使用了增進樹脂的工藝,使得芯片與焊料,焊料與基材的熱膨脹系數(shù)相適應,提高了封裝技術的可靠性。

        種種創(chuàng)新的方法和工藝使得低成本的有機基板得到了發(fā)展[4],直接推動了FC技術面向低端市場和普通元器件消費領域的發(fā)展和進步。過去只是比較少量的特殊應用,近幾年倒裝芯片已經(jīng)成為高性能封裝上大規(guī)模使用的新型工藝,它的應用得到比較廣泛快速的發(fā)展。隨著微型化及人們已接受系統(tǒng)級封裝(SiP),倒裝芯片被視為各種針腳數(shù)量低且應用的首選方法。從整體上看,其在低端應用和高端應用中的采用,根據(jù) TechSearch Inc對市場容量的預計,焊球凸點倒裝芯片的年復合增長率(CAGR)將達到 31%。

        倒裝晶片應用的直接驅(qū)動力來自于其優(yōu)良的電氣性能,以及市場對終端產(chǎn)品尺寸和成本的要求。與傳統(tǒng)工藝相比具有許多明顯的優(yōu)點,例如良好的電性能和熱性能,輸入輸出引腳數(shù)多,封裝尺度小等等。

        Flip-Chip封裝的一個重大優(yōu)點是電性能。傳統(tǒng)的工藝嚴重限制了高頻等方面的應用,而FC技術改進了芯片的電性能。突破了傳統(tǒng)工藝下的3GHz的頻率上限,一舉將極限頻率提高到40GHz。

        Flip-Chip封裝的另一個顯著優(yōu)點是熱性能,現(xiàn)今的很多電子設備的耗散功率較大,傳統(tǒng)封裝技術的器件耗散功率為10W以內(nèi),F(xiàn)C技術封裝的器件可以產(chǎn)生25w耗散功率。優(yōu)異的熱性能是FC技術采用的低熱阻結構帶來的,芯片所產(chǎn)生的熱量通過散熱球腳和內(nèi)外熱沉效應進行耗散。

        3.Flip chip的技術瓶頸

        FC技術的芯片尺度上非常小,要獲得良好的裝配率,目前依然存在不小的挑戰(zhàn)。主要在助焊劑應用單元方面和板支撐及定位系統(tǒng)的控制精度方面。

        對助焊劑應用單元的要求。助焊劑應用單元是一個關鍵的工藝流程單元,實現(xiàn)的目的是獲得設定厚度穩(wěn)定的助焊劑薄膜,達到控制各元件焊球劑量相同的目的。要做到精確的控制必須滿足以下條件[5]:

        (1)具備同時處理多枚元件的能力;

        (2)助焊劑本身需要便于清潔和控制;

        (3)流程單元需要具備處理多種助焊劑的能力;

        (4)要做到對蘸取程序的高精度控制,應對每一種情況必須有相應的算法和實現(xiàn)。包括控制時間和浸取深度等等。

        對板支撐及定位系統(tǒng)控制精度的挑戰(zhàn)。有些倒裝晶片是應用在柔性電路板或薄型電路板上,這時候?qū)宓钠秸畏浅jP鍵。以形成一個平整的支撐及精確的定位系統(tǒng),滿足以下要求:

        (1)對于基材移動精度的控制,包括高度的可控調(diào)節(jié);

        (2)需要具有完備的真空發(fā)生器環(huán)境;

        (3)具備應用標準化和非標準化基材的能力。

        FC技術目前的主要技術瓶頸存在于成本方面, FC技術是對傳統(tǒng)工藝的重大改進,原有的工藝流程和設備都需要進行調(diào)整,這給技術的革新和廠家的轉(zhuǎn)型帶來了不小的挑戰(zhàn)。目前的市場仍在發(fā)展之中,投入過大的資金對產(chǎn)商來說性價比不足。

        4.Flip chip的的未來展望

        FC技術的廣泛應用使得芯片整體尺寸變小,芯片厚度降低。倒裝芯片的焊料凸點可以利用蒸發(fā) (Evaporation)、電鍍(Electroplate)、 焊 錫 膏 篩 選(Solder paste screening)、 錫 球 安 放(Solder ball placement)、可控塌陷芯片連接新工藝(C4NP)來制作,但是隨著焊料凸點節(jié)距的縮小(<150 μm),300 mm 晶圓的應用,蒸發(fā)、錫球安放、焊錫膏篩選等普通工藝的使用觸碰了瓶頸。而且為了提高電遷移的安全可靠性,通常需要在焊料中進行合金摻雜,這是目前的電鍍工藝難以做到的事情。為了滿足設備的小型化要求,實現(xiàn)高性能、低功耗和低成本的芯片封裝,三維堆疊芯片得到了廣泛的應用[6]。為了使芯片上面細節(jié)距的焊盤能夠與基板上較大節(jié)距的焊盤相連,在芯片與基板之間采用利用硅通孔(TSV)技術制作的中介層(Interposer)。中介層包含了再分配層、硅通孔、焊料凸點和一些集成有源器件。帶有 TSV 技術制作的中介層的2.5D或3D封裝將能實現(xiàn)更高性能的芯片封裝,在未來幾年內(nèi)將得到長足的發(fā)展。

        [1] 李憶. 倒裝晶片( Flip Chip) 裝配工藝及其對表面貼裝設備的要求 [J]. 電子工業(yè)專用設備, 2007, 155(12)∶ 73-76.

        [2] Daniel Blass, Antonio Prats, Peter Borgesen, and Pericles Kondos . Flip Chip Underfill Process Manual∶2005 [c] Area Array Consortium 2005, Surface Mount Technology Laboratory , Universal Instruments Corporation, Binghamton, New York 13902.

        [3] NAKANO F, SOGA T, AMAGI S. Resininsertion effect on thermal cycle Resistivity of Flip-Chip Mounted LSI Devices [C] // The Proceeding of the International Society of Hybrid Microelectronics Conference. New Orleans, USA∶ IEEE, 1987.

        [4] 劉培生,楊龍龍,盧穎等. 倒裝芯片封裝技術的發(fā)展 [J]. 電子元件與材料, 2014, 33(2)∶ 1-5.

        [5] Daniel Blass. Flip Chip on Flex [C].Area Array Consortium 2003, Surface Mount Technology Laboratory , Universal Instruments Corporation, Binghamton, New York 13902.

        [6] 劉培生,黃金鑫,仝良玉,等.硅通孔技術的發(fā)展與挑戰(zhàn)[J]. 電子元件與材料, 2012, 31(12)∶ 76-80.

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