2.1引言

在本章中，将倒装芯片定义为[1-4]，该芯片连接到基板的焊盘或具有各种互连材料（例如，Sn-Pb，Cu，Au，Ag，Ni，In和各向同性的另一个芯片）的芯片或各向异性导电粘合剂）和方法（例如，回流焊和热压键合（TCB）），只要芯片表面（有效区域或I / O侧）面向基板或另一个芯片，如图2.1所示。

Fig2.1 a. Definition of flip chip assembly b. flip chip assembly on various substrates flip芯片技术是IBM在1960年代初引入其固态逻辑技术的，该技术成为IBM System / 360计算机产品线的逻辑基础[5]。图2.2a显示了带有三个终端晶体管的第一个IBM Fip芯片，它们是嵌入在晶体管的三个I / O焊盘上的Sn-Pb焊料凸块中的Ni/ Au镀Cu球。Cr-Cu-Au附着/种子层沉积在Si芯片上的Al-Si接触垫和焊料凸点之间。图2.2b显示了在陶瓷基板上的第一个IBM倒装芯片组件（三个芯片）。

随着I / O的增加，铜球被焊料凸块代替。所谓的C4（受控塌陷芯片连接）技术[6]利用沉积在芯片上可湿性金属端子上的高铅焊料凸点和基板上可湿性焊料端子的匹配占地面积。焊有凸点的倒装芯片与基板对齐，并且通过回流焊锡同时制造所有焊点。

今天，倒装芯片技术的应用已扩展到[7-12]芯片对芯片，面对面和面对面。图2.3显示了Amkor的DoublePOSSUM软件包[12]。可以看出，封装实际上是由两个层次的嵌套模具定义的。这三个子模具是倒装芯片，固定在较大的母模上，然后再固定在最大的祖母模上。然后将祖母芯片倒装芯片到封装基板上。子管芯和子管芯之间的凸点是微型凸块（带焊料盖的铜柱）。在母模和祖母模之间以及祖母模和封装基板之间使用C4凸块。

倒装芯片技术已广泛用于大型机，服务器，个人计算机，笔记本电脑，智能手机，平板电脑，游戏等的处理器，网络，电信等的专用集成电路（ASIC）和存储器大部分的倒装芯片组件都大量销售。近年来，由于对更高功能芯片的需求以及缩小芯片面积的要求，处理器，ASIC和存储器的引脚输出数量增加，而其间距（或引脚焊盘之间的间距）却减小了。同样，由于用于移动产品（例如，智能手机和平板电脑）和便携式产品（例如，笔记本电脑）的外形尺寸较小的趋势，芯片和封装基板的厚度必须尽可能地薄。更高的引脚数，更紧密的间距，更薄的芯片以及更薄的封装基板，导致对倒装芯片组件采用TCB方法的必要性。在这项研究中，除了大批量生产外，还提到了各种TCB技术。高密度和低成本封装基板的最新进展促进了更多的倒装芯片应用。在这项研究中，将讨论有机堆积基板，具有薄膜层的有机堆积基板，无芯基板，引线凸块（BOL）和嵌入式痕量基板（ETS）。为了提高芯片芯片组件的焊接可靠性，必须进行填充，特别是对于有机封装基板。在本研究中，将讨论预组装填充物，例如无流动填充物（NUF），非导电胶（NCP）和非导电膜（NCF）。同样，组装后的填充capillary underfill (CUF) and molded underfill (MUF).

倒装芯片技术正面临来自扇出晶圆级封装（FOWLP）[13,14]的激烈竞争，这将在第4、5、6、7、8、9、10和11章中讨论。扇入式晶圆级封装（WLCSP）[15-17]将在第3章中讨论

2.2 Wafer Bumping

有许多方法可以执行晶圆凸点（[2]中至少显示12个），最常见的方法是通过电化学沉积（ECD）或电镀[18]。模版印刷方法[19–25]也用于晶圆凸点，但此处不再赘述。

2.2.1 C4 Bumps

通常，焊盘尺寸等于100 um，目标凸点高度等于100 um。重新定义钝化开口后（通常不需要），首先在晶片的整个表面上溅射Ti或TiW（0.1-0.2 um），然后溅射0.3-0.8um的Cu。Ti-Cu和TiW-Cu称为凸块冶金（UBM）。为了获得100 um的凸点高度，然后在Ti–Cu或TiW–Cu上覆盖40 um的抗蚀剂层，并使用焊料凸点掩模来定义（紫外线曝光）凸点图案，如步骤1–所示。图2.4中的4。抗蚀剂中的开口比钝化层中的焊盘开口宽7–10 um。然后在UBM上镀一层5um的Cu，然后电镀焊料。这是通过将静态电流或脉冲电流通过晶片作为阴极的镀浴来完成的。为了电镀足够的焊料以达到目标（100 um），将焊料电镀在抗蚀剂涂层上约15um以形成蘑菇形。然后剥离抗蚀剂，并用过氧化氢或等离子蚀刻去除Ti-Cu或TiW-Cu。然后晶片使用助焊剂过炉，会产生光滑的截断球形C4凸点焊锡。如图2.4右侧的步骤＃5–8所示，由于表面张力的作用[2.4]和2.5。

2.2.2 C2 (Cu Pillar with Solder Cap) Bumps

由于引脚数更高且间距更紧密（焊盘之间的间距更小），因此可能会使相邻的焊料C4凸点短路。导线互连[26]和带有焊帽[27、28]的铜柱可以是一种解决方案。如图2.6的步骤5所示，除了电镀铜代替焊料外，制造工艺与C4凸块基本相同。接下来是电镀焊料盖，然后向焊料中倒入助焊剂（图2.7a显示了带有焊料的铜柱。图2.7b显示了非常高的铜柱，没有焊锡帽。由于与C4凸块相比焊料体积非常小，因此表面张力不足以执行Cu柱与焊料盖凸块的自对准，因此有时将其称为C2（芯片连接）凸块。除了能够处理更细的间距外，C2凸块还提供了比C4凸块更好的热和电性能。这是因为铜（400和0.0172）的热导率（W / m K）和电阻率（µΩm）优于表2.1所示的焊料（55-60和0.12-0.14）。

2.3 Flip Chip Package Substrates

在过去的几年中，通过增加堆焊层的数量，在堆焊层的顶部制造薄膜层的方式，为提高/提高传统的低成本堆焊有机封装基板的能力做出了巨大的努力。上层，缩小金属线的宽度和间距的尺寸，减小焊盘的尺寸和间距，消除铁芯，制作BOL，并层压ETS。对于硅衬底，第一个是TSV中介层，而未来的趋势是无TSV中介层，这将在第10章中讨论。陶瓷基板[29–34]将不在本书中讨论。

2.3.1 Surface Laminar Circuit (SLC)Technology

大约25年前，日本Yasu的IBM在日本发明了SLC技术，图2.8[35-38]，该技术构成了当今非常流行的低成本有机封装基板的基础，其堆积层通过微孔垂直连接[39- 59]支持ip芯片。SLC技术有两个部分：一个是核心基板，另一个是用于信号布线的SLC。芯基板由普通的玻璃环氧板制成。但是，SLC层依次由光敏环氧树脂制成的介电层和镀铜的导体平面构成（半添加技术）。通常，具有十二层[例如，两个芯层和十个堆积层（5-2-5）]以及10μm的线宽和间隔的封装衬底足以支撑大多数芯片。

2.3.2 Integrated Thin-FilmHigh-Density Organic Package (i-THOP)

2013年，Shinko建议在封装基板的堆积层之上制造薄膜层。图2.9显示了Shinko用于高性能应用的i-THOP基板[60，61]。这是4 +（2-2-3）测试车，这意味着有两层金属芯，底部（PCB）侧有三层堆积金属层，顶部有两层堆积金属层（芯片）侧），第一个数字“4”表示在顶部堆积层的表面上有四个薄膜铜布线（RDL）。薄膜Cu RDL的厚度，线宽和间距可小至2 µm。薄膜Cu RDL通过10µm的孔垂直连接，如图2.9所示。表面铜垫间距为40um，铜垫直径为25 µm，高度为10–12 µm。i-THOP基板通过了翘曲和可靠性测试，没有观察到通孔分层[60]。2014年，Shinko展示了[61]个超细间距芯片可以成功地组装在i-THOP基板上。图2.10示意性地显示了两层薄膜的横向连通情况，这是通过两层薄膜层的2µm线宽/间距RDL来实现的，这两层薄膜层构建在1-2-2积层有机基板的顶部，即2+（1-2-2）。图2.11显示了测试芯片的40 µm节距的微型凸块（Cu柱+ Ni + SnAg）和40µm节距的倒装芯片键合焊盘（直径25 µm）。具有优化条件的倒装芯片组件横截面的典型图像如图 2.11所示。可以看出，在组装的所有区域都确认了良好的焊点[61]。

Fig.2.9 Shinko’s i-THOP: a flip chip package substrate with thin film layer on the top of the buildup layer

Fig.2.10 Shinko’s i-THOP for a vehicle: Two thin film layer are built on the top of the package subtrate

Fig.2.11 C2 microbumps at 40um pitch. 40um pitch flip chip bonding pads, 25um cu line on the i-THOP substrate . good solder joints from optimization condition

2.3.3 Coreless Substrate

无芯基板是富士通[62]在2006年首次提出的。图2.12显示了具有堆积层的传统有机封装基板和无芯有机封装基板的比较。可以看出，最大的区别是无芯封装基板中没有芯，无芯封装基板的所有层都是堆积层[62-84]。无芯封装基板的优点是[62-84]：（a）由于消除了芯，无芯基板的成本较低；（b）通过消除芯，可以实现更高的布线能力；（c）由于良好的高速传输特性而具有更好的电气性能；（d）外形尺寸要小得多。另一方面，缺点是[62-84]：（a）由于消除了磁芯，无芯基板的翘曲较大；（b）容易出现层压板崩裂；（c）由于基板刚性较低，导致焊点良率差；（d）必须建立新的制造基础设施。2010年，索尼为其PlayStation3的单元处理器制造了第一个无核封装基板[74]。尽管无芯基板具有许多优点，但由于翘曲控制问题，它们并不受欢迎。影响翘曲的关键因素之一是基板材料的热膨胀不匹配系数。因此，对此因素的适当控制将有助于减少无芯基板的翘曲问题。影响翘曲的另一个因素是封装组件。因此，适当的封装组件翘曲校正控制（在真空和压力下）将有助于改善无芯基板的翘曲问题。

Fig 2.12 (Top) Flip chip on conventional build up package substrate. (Bottom) Flip chip on coreless substrate

2.3.4 Bump-on-Lead (BOL)

BOL由STATSChipPAC[85-]首次提出，并由高通[90]和其他公司[90-93]使用。图2.13a中显示了传统的捕获式焊盘（BOC）或简单的焊盘上（BOP）倒装芯片有机基板布局。可以看出，倒装芯片焊盘在阻焊层（SR）定义的配置中的面积为210-μm的面阵间距上，在凸点焊盘之间有一个信号逸出，导致有效的逸出间距为105μm。BOL方法如图2.13b所示。在这里，基板上的焊盘只是走线（引线）本身，或者走线的略宽版本，这会释放足够的布线空间，以允许在凸块之间布线额外的走线，从而导致有效的逃逸间距为7 µm，无需更改基板的设计规则（迹线宽度和间距）。改进的BOL结构如图2.13c所示。可以被看见凸点焊盘没有任何阻焊层，即开孔SR [90]。参考文献中使用的测试车，BOL上的Cu柱。[90]在图2.13d和e中示出。可以看出，凸点间距在180 µm到凸点间距20 µm之间的两条走线可以轻松布线。图2.14的上部显示了垂直于BOL和纵向BOL的典型横截面。图2.14中部显示了一个3D幻灯片有限元模型，其中显示了BOL，BOC（或BOP）和焊点。BOL焊点的蠕变应变轮廓显示在图2.14的下部[93]，它太小而在大多数情况下都不会引起焊点可靠性问题

Fig 2.13 Bump-on-lead(BOL) a conventional BOP b. New BOL c. Improved BOL d. Improved BOL with Cu Pillar FC(180um pitch) e. Improved BL with FC

2.3.5 Embedded Trace Substrate (ETS)

ETS是具有细线宽/间距的无芯基板之一，将顶部金属走线图案嵌入到半固化片层中[94-98]。ETS的处理流程如图2.15a所示。它从带有可移动铜箔的载板开始。其次是使用典型的电解铜电镀方法形成第一层铜图案。然后，将预浸料层压在铜图案上。随后进行激光通孔钻孔，化学镀铜，干膜层压，曝光和显影，第二层铜图案电镀，剥离和微蚀刻。一旦所有的铜图案层均已完成，将移除载板。由于铜箔连接到第一个铜图案，因此在SR涂层之前必须进行微蚀刻。SR开封过程之后，可通过金属表面处理（例如有机可焊性防腐剂（OSPs））完成。图2.15b显示了SPIL[97]在ETS组件上的Cu柱倒装芯片的横截面。目前使用的ETS的大多数线宽/间距为15/15 µm。但是，Simmtech正在生产13/13 µm的线宽/间距[98]。

Fig. 2.14 Images of the perpendicular to BOL and longitudinal to BOL Finite element models and creep strain contours in the BOL solder joint

Fig 2.15 a Process flow for fabricating the ETS b. Flip chip with C2 bump package下载本文