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一文看懂芯片的封装工艺(先进封装篇1:倒装封装)

先介绍一下倒装封装 。懂芯

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倒装封装(Flip Chip)

业界普遍认为,片的篇倒倒装封装是封装封装传统封装和先进封装的分界点 。

上期我们提到,工艺芯片封装发展的先进第三阶段(1990年代),代表类型是装封装BGA(球形阵列)封装 。早期的懂芯BGA封装,是片的篇倒WB(Wire Bonding,引线) BGA ,香港云服务器封装封装属于传统封装。工艺

后来,先进芯片的装封装体积越来越小 ,而单颗芯片内的懂芯焊盘数量越来越多(接近或超过1000个)。传统的片的篇倒引线封装,已经无法满足要求 。封装封装

于是,采用倒装技术替换焊线的FC BGA封装  ,就出现了 。

所谓“倒装” ,免费模板就是在晶粒上创造一些由焊料制成的“凸点”或“球”。然后  ,把晶粒反转过来,让凸点对准基板上的焊盘,直接扣在基板上。

通过加热,让熔融的凸点与基板焊盘相结合,实现晶粒与基板的结合 。

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WB BGA与FC BGA

我们来看看具体的工艺流程  。

以FC BGA为例。亿华云前面减薄 、切割、清洗 、光检 ,和WB BGA(传统封装)差不多 。

要把晶粒与基板连在一起(后面会说 ,这叫“键合”),开始不一样了 。

第一步,是凸点制作(Bumping)。

倒装封装包括热超声  、回流焊和热压三种工艺 ,其凸点分别使用金球  、锡球和铜柱。

热超声 ,模板下载是在超声和温度的共同作用下, 将金凸点“粘”在基板的焊盘上 。这种方式  ,适用于I/O密度较小的芯片 。

回流焊,是在锡凸点表面涂覆助焊剂,再通过热回流加热,进行焊接 。这种方式也适合I/O密度较小(凸点间距40-50μm)的芯片 。

热压(Thermal Compression Bonding ,TCB) ,源码库采用高深宽比 、小尺寸的铜柱凸点 ,直接加热粘结 。这种方式能够实现高密度互联 ,适用于I/O密度较大(凸点间距40-10μm)的芯片 。

金凸点的成本高。相比之下 ,铜柱凸点的电性能、散热性能比较好 ,制备难度均衡 ,成本也比较低  ,所以用得比较多。源码下载

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电子显微镜下的凸点

制作凸点的流程比较复杂。其实说白了  ,就是前面晶圆制造时的那套工艺 ,例如沉积、光刻 、刻蚀等 。

沉积包括UBM(Under Bump Metallization,凸点下金属化层)的沉积和凸点本身的沉积 。UBM位于凸点与芯片焊盘(金属垫 ,Al pad铝垫层)之间,起到增强凸点附着力 、提高电导率和热导率的作用。

UBM的沉积 ,通常采用溅射(Sputtering)、化学镀(Electroless)、电镀(Electroplating)的方式实现 。

凸点本身的沉积,通常采用电镀、印刷 、蒸镀 、植球的方式实现(前两者比较常见) 。

大致的流程 ,看下面的示例图应该能懂(不懂的话 ,可以回顾晶圆制造那一期的内容):

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比较特别的是,最后多了一个步骤——“回流” ,把锡帽变成了子弹头形状 。

第二步,是对准和贴装 。

简单来说,就是使用精密的贴装设备 ,将晶粒上的凸点与基板上的焊盘进行精确对准,然后通过回流焊等工艺,实现凸点与焊盘的连接。

回流焊的大致过程 :

回流焊流程

先将晶粒(芯片)的凸点沾上助焊剂 ,或者在基板上加定量的助焊剂。助焊剂的作用 ,是去除金属表面氧化物并促进焊料流动。

然后 ,用贴片设备将晶粒精准地放到基板上 。

接下来 ,将晶粒和基板整体加热(回流焊) ,实现凸点和焊盘之间的良好浸润结合(温度和时长需要严格控制)。

最后 ,清洗去除助焊剂,就OK了 。

凸点数量较多 、间距较小时  ,回流焊容易导致出现翘曲和精度问题 。于是 ,这个时候就可以用热压(TCB)工艺 。

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热压流程

前文提到 ,热压(TCB)工艺非常适合更多凸点 、更小凸点间距的芯片。它利用高精度相机完成芯片间的对准,并通过控制热压头的压力与位移接触基座 ,施加压力并加热,实现连接 。(后续我们讲混合键合 ,会再提到热压 。)

第三步,底部填充 。

连接之后,大家会注意到 ,晶粒和基板之间的区域是空心结构。(芯片底部的焊球分布区  ,也叫C4区域,Controlled Collapse Chip Connection ,“可控塌陷芯片连接”。)

为了避免后续出现偏移、冷焊、桥接短路等质量问题 ,需要对空心部分进行填充。

填充和传统封装的塑封有点像,使用的是填充胶(Underfill)。不仅能够固定晶粒,防止移动或脱落,还能够吸收热应力和机械应力,提高封装的可靠性。

底部填充工艺一般分为三种 :毛细填充(流动型) 、无流动填充和模压填充 。

一般来说 ,倒装封装都是以毛细填充为主。方法比较简单:清洗助焊剂之后,沿着芯片边缘 ,注入底部填充胶。底部填充胶借助毛细作用 ,会被吸入芯片和基板的空隙内,完成填充 。

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填充之后 ,还要进行固化。固化的温度和时间,取决于填充胶的种类和封装要求 。

以上 ,就是倒装封装(凸点工艺)的大致流程 。

相比传统封装,倒装封装的优势非常明显  :

1、能够实现高密度的I/O电气连接,有利于减小芯片的体积 。

2 、凸点连接 ,相比引线  ,可靠性也更强 。

3 、信号传输路径大大缩短,减少寄生电容和电感 ,提高信号的完整性 。

4、晶粒和基板直接接触  ,热量能够快速传导并散发出去。

凸点(bump)的制造过程与晶圆制造(前道)过程非常相似,本身又介于晶圆制造(前道)和封装测试(后道)之间 。所以 ,也被称作“中道”工序。

后面会提到的TSV和RDL ,也是中道工序 。

最近这十几年 ,先进封装高速发展,凸点工艺也一直在演进 。

从球栅阵列焊球(BGA Ball)到倒装凸点(FC Bump)  ,再到微凸点(μBump),凸点的尺寸在不断缩小 ,技术难度也在不断升级 。

后续小枣君要提到的芯片堆叠、还有立体封装(2.5D/3D) ,很多都是以凸点工艺为基础。它的重要性不言而喻 ,请大家一定要注意  。

3D封装中的微凸点(μBump)

键合

插播一个概念——键合(Bonding) 。

上期小枣君介绍了传统封装里的引线封装 。刚才,又介绍了倒装封装 。

这种将晶圆和晶圆 、晶圆和基板“粘贴”在一起的做法,有一个专门的名字 ,就是键合 。

引线封装,叫引线键合 。倒装封装 ,叫倒装键合。

除了这两种键合之外,还有:载带自动键合、混合键合、临时键合等。

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载带自动键合

载带自动键合(Tape Automated Bonding ,TAB),是一种将芯片组装到柔性载带上的芯片封装键合技术 。

载带自动键合与引线键合非常类似,主要区别在于引线键合中,芯片的载体是引线框架或者PCB基板 。而载带自动键合 ,用的是柔性载带 。

载带自动键合

载带既作为芯片的支撑体,又作为芯片与外围电路连接的引线 。

载带自动键合包括以下5个步骤:

1、制作载带:载带其实就是铜箔材料 。将铜箔贴合在聚酰亚胺胶带上 ,经过光刻和蚀刻 ,形成固定的 、精细的导电图形,并制作定位孔和引线窗口,就变成了载带 。

2 、内引线键合(ILB,Inner Lead Bonding):将预先形成焊点的芯片精确定位后  ,采用热压或热超声方式同时将所有内引线与芯片焊盘连接  。

3、对准和贴装:将芯片贴装在基板上。

4、外引线键合(OLB,Outer Lead Bonding):将载带与基板或PCB对准,通常采用热压方式实现批量键合 。

5、注塑保护 :这个和引线键合流程差不多 ,就是形成保护层 。

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相比于引线键合,载带自动键合适合高密度 、细间距的封装要求,具有不错的电气性能和散热性能  ,适合LCD驱动器等高密度引线连接场合  。

在传统 、低成本应用中 ,载带自动键合凭借工艺简单、技术成熟的特点,仍有一定优势。但现在都是更高性能 、更高密度封装时代,载带自动键合在应用和普及上,肯定还是不如倒装键合。

混合键合 、临时键合,这两个概念非常重要 。后续讲到立体封装时,小枣君会详细介绍 。

CSP(芯片级封装)

再插播一个概念——CSP(Chip Scale Package ,芯片级封装)。

前面几期里 ,提到过CSP,说CSP是芯片小型化封装的一种方式 。

CSP是BGA之后开始崛起的。主要原因,就是因为数码产品小型化、便携化 ,对芯片体积提出了要求。

CSP封装 ,锡球间隔及直径更小,芯片面积与封装面积之比超过 1:1.14,已经相当接近 1:1 的理想情况 ,约为普通BGA封装的1/3 。

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和BGA一样,CSP也分为WB CSP和FC CSP。

通常来说 ,FC CSP较多应用于移动设备(例如手机)的AP、基带芯片 。而FC BGA,较多应用于PC 、服务器的CPU、GPU等高性能芯片 。

这个知识点大家知道一下就好 ,不算重点。

好了 ,今天先讲到这里。

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