倒装芯片技术分析

2010-08-15文继刚

科技传播 2010年16期

文继刚

同济大学电子与信息工程学院，上海 200081

0 引言

倒装芯片封装技术（FC）是由IBM公司在上个世纪60年代开发的，即将芯片正面朝下向基板进行封装。15年前，几乎所有封装采用的都是引线键合，如今倒装芯片技术正在逐步取代引线键合的位置，这种封装方式无需引线键合，因此可以形成最短电路，从而降低电阻；并且采用金属球进行连接可以缩小封装尺寸，改善电性表现，从而解决了BGA为增加引脚数而需扩大体积的困扰。采用倒装芯片封装技术可以降低生产成本，提高速度及组件的可靠性。

1 倒装芯片技术的优点

1.1 完整性、可靠性强

倒装芯片相当于一个完全封装的芯片，它是由锡球下的冶金与芯片钝化层密封的，并提供下一级封装的内连接结构。将一个构造合理的倒装芯片安装在适当载体上用于内连接，即使没有其他灌封，该载体也可以满足所有可靠性要求。

1.2 自我对准能力强

在锡球回流时，焊锡受表面张力的作用，可以自动纠正芯片微小的对准偏差，从而提供了装配制造的合格率。同时倒装芯片技术也提供低电感，在高频应用中起到至关重要的作用。

1.3 将电源带入芯片的每个象限

倒装芯片技术可以将电源带入芯片的每个象限，即在整个芯片面积上，其电流是均匀分布的。

1.4 成本低廉

倒装芯片技术消除了封装并减小了芯片的尺寸，因此节省了硅的使用量，降低了制作成本。

2 倒装芯片技术分析

2.1 形成凸点技术

凸点形成技术可以分为淀积金属、机械焊接、基于聚合物的胶粘剂等几个类型。

1）金属电镀技术

一般是在电镀槽里，把基片当作阴极，利用静态电流或者脉冲电流来完成焊料的电镀。在镀上所需厚度的焊料后，就可以把光致抗蚀剂清除掉，这时焊料凸点制作完成。电镀的优势是可以在非常小的间距内印刷，而且可以保证足够的焊料以得到更高的高度。电镀的不足之处在于它的启动成本较高，生产设备的占用面积较大，电解液会造成更多的浪费，选择合金的灵活性少。

化学镀是一种新型的金属表面处理技术，该技术以其工艺简便、节能、环保日益受到人们的关注，其镀层均匀、装饰性好，并且能提供产品的耐蚀性和使用寿命，在印刷电路行业应用较为广泛，近年来其通过化学形成凸点的技术也应用到倒装芯片中来。由于化学性质非常准确，在化学倒装片凸点技术工艺中，化学镀镍技术应用较为普遍。如果铝没有与镍同时电镀，就可使用中间浸液电镀锌技术。在典型状况下，镍受到金涂层保护，形成的金毛刺适于焊接及胶粘剂压焊。化学镀镍凸点技术工艺简单、成本低，是主要的倒装芯片凸点工艺。

2）机械形成凸点技术

此技术使用标准线连接过程以形成凸点，钎料丝可以使用金丝或铅基钎料丝。凸点形成过程与线连接过程相同，不同之处在于丝端成球后，在球端加热使之断开，最后形成有短尾部的凸点，随后重熔过程可获得具有特定高度的球形凸点。为保证在球附近形成光滑的断裂口，可以使用含有1%铂的金丝作为钎料丝。柱式凸点形成技术，长期使用于试制形式，由于通过引线键合机获得了惊人的速度，已移入生产模式，金和金凸点及焊料凸点均被实施。

3）聚合物凸点技术

它采用导电聚合物制作凸点，设备和工艺相对简单，是一种高效、低成本的倒装芯片技术。采用这种技术无需高温也不允许焊料合金再流，没有α辐射和铅，而且工序简单，首先放置好聚合物，然后便可进行焊接。由于各种胶粘剂不能直接用在铝上，所以通常把它们应用于金焊盘。

2.2 压焊技术

共晶焊料构成的凸点，包含压焊和连接材料。首先将凸点用免清洗焊剂涂覆并置于板上，然后像普通的SMD元件一样进行焊料回流。仅对凸点提供焊剂是较难的，特别是当使用下填充物时，焊剂熔解轮将被用来给凸点和导电胶提供焊膏。

不熔的芯型凸点（如镍凸点），在其组装过程中应增加连接材料。可通过丝网印刷、模板印刷或针式印刷等形式将焊料分配到电路载体上，然后放置芯片并进行焊料回流。

使用印刷或分配方法可把导电胶提供给电路载体或凸点，即聚合物浸涂芯片法（PDC）。使用装满粘附膏的“焊剂熔解轮”，在旋转盘或别的储层的外面涂覆胶粘剂，厚度略小于凸点高度。把芯片放入膏中并用粘着凸点的胶粘剂抽出，把倒装芯片置于电路上并进行胶粘剂固化。

2.3 下填充技术

目前使用的下填充系统可以分为3类，即毛细管底部填充、助焊（非流动）型底部填充和四角或角-点底部填充系统。每类下填充系统都存在其优势和局限性，目前应用比较广泛的是毛细管底部填充材料。毛细管底部填充的应用范围包括板上倒装芯片和封装内倒装芯片。通过采用底部填充可以分散芯片表面承受的应力进而提高了整个产品的可靠性。在传统倒装芯片和芯片尺寸封装（CSP）中使用毛细管底部填充的工艺类似。首先，将芯片粘贴到基板上已沉积焊膏的位置，之后进行再流，这样就形成了合金互连。在芯片完成倒装之后，采用分散技术将底部填充材料注入到CSP的一条或两条边。材料在封装下面流动并填充CSP和组装电路板之间的空隙。毛细管底部填充可以极大地提高可靠性，但是要完成这一工艺，需底部填充材料的注入设备、足够的厂房空间安装设备以及可以完成精确操作的工人。

在倒装片和PCB之间加入下填充物可靠性提高了一个数量级或更多。经过硬化的下填充物把板移动定位在硅芯片的移动上。低膨胀、极高模量无机硅至少在表面上成为限制有机PCB膨胀的约束力。

2.4 检测技术

倒装芯片的最终质量受制作中每个工艺过程的影响，因此在倒装芯片制作的3个工艺阶段，均应安排检测工序。在圆片生产阶段应检测圆片表面及凸点有无缺陷，凸点尺寸是否合格，基本的材料与平整性等；在组装阶段主要是检测芯片与基片连接的可靠性，一般应进行高温和热循环测试，并应在测试后检查芯片和基片的裂纹。同时在该阶段还应检测是否存在组装缺陷，如焊点开路、短路，焊料缺损等，有些情况下还应对芯片底部填充材料的缺陷（如是否存在气泡等）进行检测；应用阶段的检测内容基本与组装阶段相同。倒装焊芯片检测的方法可以分成接触式和非接触式检测2类。前者包括电测试、边界扫描和功能测试等方法。它们可以很好检测到芯片的短路和开路，但不能有效地区别焊点缺陷，无法判断冷焊点连接或机械连接等不合格的连接形式，所以不能提供长期可靠性的判断。另外由于是接触式测量，会对芯片的表面造成损坏。而非接触检测技术不但可以检测到芯片中的微观特性，对器件不会造成损坏，如自动光学检测，自动X射线检测、声学检测等还能提供良好的工艺控制信息。