在微系統(tǒng)集成中使用的倒裝芯片工藝技術(shù)（簡介）

       倒裝芯片 ( Flip Chip，F(xiàn)C)  技術(shù)是一種先進的電子封裝技術(shù)，其半導體裸片表面 ( 有源面或 I / O 面)  向下放置并與基板或芯片載體相鍵合，這個裸片被稱為倒裝芯片。與其他互連技術(shù)相比，F(xiàn)C 技術(shù)具有 I / O 密度高、互連線短、散熱性好、生產(chǎn)率高以及互連過程中可自對準等優(yōu)點，它的進步大大降低了電子封裝工業(yè)的成本，顯著提高了封裝的可靠性和產(chǎn)量。FC 技術(shù)作為現(xiàn)代電子封裝中最具有發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)之一，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于主機、服務(wù)器、個人電腦、筆記本電腦、智能手機、平板電腦、游戲機等設(shè)備的處理器，網(wǎng)絡(luò)、電信等設(shè)備的專用集成電路   ( Application Specific Integrated Circuits，ASIC) ，以及數(shù)據(jù)存儲設(shè)備的存儲器等領(lǐng)域。微系統(tǒng)作為在微納尺度上通過 3D 異質(zhì)異構(gòu)集成手段集成信號感知、信號處理、信號執(zhí)行和賦能等多功能集成的技術(shù)，其對諸多模塊的 3D 集成亦需要大力借助 FC 技術(shù)。

       FC 工藝由 IBM 公司于 1962 年發(fā)明，最早是應(yīng)用在陶瓷基板上的固態(tài)邏輯技術(shù)。IBM 生產(chǎn)的第一代 FC 芯片如圖 1 ( a) 所示，為具有三個端口的晶體管產(chǎn)品。鍍 Ni 浸 Cu 的 Cu 球分別嵌入晶體管三個I / O 端口上的Sn-Pb 焊料凸點中，Si 芯片上的 Al-Si 接觸焊盤和焊料凸點之間沉積有 Cr-Cu-Au粘附層。圖 1 ( b)   所示為 IBM 第一代 FC 封裝件，可以看到陶瓷基板上倒裝了三個芯片［1］。隨著電子器件體積的不斷減小以及 I / O 密度的不斷增加， 1970 年，IBM 公司將 FC 技術(shù)發(fā)展為應(yīng)用在集成電路  ( Integrated Circuits，IC)   中的可控塌陷芯片連接技術(shù)  ( Controlled-collapse Chip Connection) ， 即 C4 技術(shù)。C4 技術(shù)通過高 Pb 含量的焊料凸點將芯片上的可潤濕金屬焊盤與基板上的焊盤相連，第一代技術(shù)中鍍Ni 浸 Au 的 Cu 球被淘汰，C4 焊球可以滿足具有更細密焊盤的芯片的倒裝焊要求。FC 技術(shù)不斷發(fā)展，芯片凸點發(fā)展為焊料凸點、金屬柱狀凸點以及柔性聚合物凸點等多種形式，互連材料包括含 Pb 焊料、無 Pb 焊料、Cu、Au、Ag、Ni、In 以及各向同性或各向異性導電黏合劑等，鍵合方法包含回流焊和熱壓鍵合等（晶圓鍵合機）。

(a)     IBM 的第一代 FC 芯片

（b）IBM 的第一代 FC 封裝件 (三芯片)

圖1  IBM的第一代FC技術(shù)

       FC 封裝的一般工藝流程如下:

       1)  將帶有芯片凸點的 FC 芯片對齊貼裝在底部芯片或基板上;

       2)  布局完成后，通過回流焊或熱壓鍵合工藝進行鍵合（晶圓鍵合機）;

       3)  互連形成后，在芯片周圍滴涂底填料，底填料會通過毛細作用填滿芯片與基板之間的間隙;

       4)  填充完成后，將組裝件放在固化爐中進行底填料的固化。得到的 FC 封裝體的一般結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括芯片、互連結(jié)構(gòu)、基板以及底部填料等幾個主要部分。

圖 2  FC 封裝體的一般結(jié)構(gòu)

       近年來，由于芯片功能要求的提高和芯片面積的縮小，處理器、ASIC 和存儲器的引腳數(shù)目不斷增加，間距不斷減小。此外，由于移動和便攜式電子產(chǎn)品的外形尺寸越來越小，芯片和封裝基板的厚度必須盡可能薄。而且，隨著 FC 的應(yīng)用越來越廣泛，對其成本控制和封裝效率的要求也越來越高。以上因素迫使 FC 技術(shù)向著更高的引腳數(shù)、更緊密的間距、更薄的芯片、更薄的封裝基板、更低的成本和更高的封裝效率的方向發(fā)展，從而催生了諸多 FC 的新形式以及新技術(shù)。本系列將FC 封裝結(jié)構(gòu)系統(tǒng)分解為芯片凸點、基板以及底填材料，介紹了 FC 技術(shù)以及 FC 技術(shù)最新的應(yīng)用和發(fā)展方向。

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