倒装焊与芯片级封装技术的研究
倒装焊与芯片级封装技术的研究
倒装焊与芯片级封装技术的研究引言芯片级封装技术在现代电子行业中起着重要的作用。
随着科技的发展和电子产品的普及，对封装技术也提出了更高的要求。
本文将重点讨论倒装焊和芯片级封装技术，并探讨它们在电子行业中的研究和应用。
倒装焊技术倒装焊技术是一种将芯片颠倒安装在基板上的封装技术。
与传统的芯片安装方法相比，倒装焊技术具有更小的封装尺寸、更好的散热性能和更低的电阻值。
工艺流程倒装焊技术的工艺流程包括以下几个步骤：1.芯片准备：将芯片进行清洁和测试，并进行必要的修复和校正。
2.基板准备：将基板进行清洁，并在需要焊接的位置上涂覆焊接剂。
3.焊接：将芯片放置在基板上，并使用热风枪或烙铁进行焊接。
4.封装测试：对焊接后的芯片进行测试，确保其质量和性能达到要求。
应用领域倒装焊技术广泛应用于电子设备中，特别是在需要小尺寸、高性能和高可靠性的产品中，如智能手机、平板电脑、电子手表等。
芯片级封装技术芯片级封装技术是将芯片和封装在一个单个封装中的技术。
它通过多个工艺步骤来实现芯片封装，以提高封装的紧凑性和可靠性。
工艺流程芯片级封装技术的工艺流程包括以下几个步骤：1.芯片准备：将芯片进行清洁和测试，并进行必要的修复和校正。
2.封装材料准备：选择合适的封装材料，并将其切割成适当的尺寸和形状。
3.芯片粘贴：将芯片粘贴在封装材料上，并使用特殊的粘合剂进行固定。
4.焊接：将封装后的芯片与基板进行焊接，以完成封装。
5.封装测试：对封装后的芯片进行测试，确保其质量和性能达到要求。
应用领域芯片级封装技术广泛应用于集成电路和微电子领域。
它可以在电子产品中实现更小、更轻、更可靠的封装，同时提高芯片的性能和功耗效率。
技术研究与未来发展倒装焊和芯片级封装技术在电子行业中已经得到广泛应用，并不断进行技术研究和创新。
一些研究方向包括：1.封装材料的研究：通过研究和开发新型的封装材料，提高封装的可靠性和耐用性。
2.封装工艺的优化：通过优化封装工艺步骤，提高封装过程的效率和准确性。
芯片尺寸封装的热应力及热失效分析研究
3、热失效的预防和诊断方法
最后，针对已经出现的热失效现象，可以进行失效分析，找出原因并进行改 进，避免类似问题的再次发生。
研究方法
1、分析热应力及热失效的影响 因素
1、分析热应力及热失效的影响因素
为了更好地研究热应力及热失效对芯片尺寸封装的影响，需要对相关的影响 因素进行分析。这些因素包括封装材料、结构、工艺、环境因素等。通过对这些 因素的综合分析，可以找到影响热应力及热失效的关键因素。
2、芯片尺寸封装中热失效的案例分析
以某款手机芯片为例，其在高温环境下的暂时性失效主要表现为信号不稳定、 数据处理速度下降等现象；而在低温环境下的永久性失效则表现为芯片内部电路 损坏、无法正常工作等现象。通过分析这些失效案例，可以发现热应力是导致热 失效的主要因素之一。
3、热失效的预防和诊断方法
3、热失效的预防和诊断方法
3、提出针对芯片尺寸封装的热 应力及热失效分析方法
3、提出针对芯片尺寸封装的热应力及热失效分析方法
在分析了影响因素和探讨了相关方法的基础上，本次演示提出针对芯片尺寸 封装的热应力及热失效分析方法。该方法主要包括以下几个步骤：首先，进行有 限元分析，模拟并预测封装体的热应力分布；其次，根据模拟结果进行故障树分 析，找出导致热失效的关键因素；最后，针对关键因素采取相应的预防和诊断措 施，提高封装的可靠性和稳定性。
热应力分析
1、不同封装技术下的热应力差 异分析
1、不同封装技术下的热应力差异分析
芯片尺寸封装的不同技术，如倒装焊、芯片级封装、系统级封装等，对热应 力分布有不同的影响。倒装焊中，芯片通过凸点与基板相连，热应力主要集中在 凸点周围。芯片级封装中，热应力主要集中在焊点、引线和芯片边缘。系统级封 装中，热应力分布较为复杂，受到整个封装结构和环境因素的影响。
倒装芯片器件封装
电镀法
电镀法
• 在电镀法中，形成UBM之后，在焊盘上涂覆 光刻胶以形成凸点图案。如上图，光刻胶可打 算电镀凸点的外形和高度，因此在电镀凸点前 ，要去除光刻胶残渣。在电镀液中焊料电镀后 ，形成的凸点多为蘑菇状。与其他方法相比， 电镀凸点成分及其高度掌握比较困难，因此多 项选择用共晶钎料，如63Sn/37Pb等。电镀 后，去除光刻胶，钎料凸点在进展重熔过程， 获得球形凸点。
2.3倒装焊封装器件材料的力 学属性
2.3下填充技术
• 下填充工艺有两种，底部流淌填充和底部不流淌填充 ，应依据不同的需求选择适宜的填充工艺。底部流淌 填充工艺，是在毛细外表张力作用下，胶填充芯片和 慕板底部空隙之间，胶的流淌能够使芯片和基板之间 的气体尽量驱除出去，削减气泡的残留。芯片与基板 之间空隙足够大，可选用底部流淌填充工艺，假设芯 片面积特殊大或芯片与基板的空隙小可以选择底部不 流淌填充工艺，应依据不同的需要选择相应的填充工 艺。
• UV型的固化速度快，无温度梯度，故芯 片和基板均不需加热，因此不用考虑由 UV照射固化产生的微弱能量引起的热不 匹配问题。
超声热压倒装芯片焊接法
超声热压倒装芯片焊接法
• 该方法是使用倒装焊接机完成各种凸点 的焊接，由光学摄像对位系统、捡拾热 压超声焊头、准确定位承片台及显示屏 等组成的周密设备。
• 过程：先在基板上涂覆各向异性导电胶 〔ACA〕，将带有凸点的IC芯片与基板 上的金属焊区对位后，在芯片上加压进 展ACA固化，这样导电粒子挤压在凸点 与焊区之间，使上下接触导电。
各向异性导电胶固化法
• ACA的固化形式有热固型、热塑型和紫 外光固化型〔UV〕几种。
芯片制造倒装焊工艺与设备解决方案
倒装键合（Flip Chip）工艺及设备解决方案前言：倒装芯片在产品成本、性能及满足高密度封装等方面体现出优势，它的应用也渐渐成为主流。
由于倒装芯片的尺寸小，要保证高精度高产量高重复性，这给我们传统的设备及工艺带来了挑战。
器件的小型化高密度封装形式越来越多，如多模块封装（ MCM ）、系统封装（ SiP ）、倒装芯片（ FC=Flip-Chip ）等应用得越来越多。
这些技术的出现更加模糊了一级封装与二级装配之间的界线。
毋庸置疑，随着小型化高密度封装的出现，对高速与高精度装配的要求变得更加关键，相关的组装设备和工艺也更具先进性与高灵活性。
由于倒装芯片比BGA或CSP具有更小的外形尺寸、更小的球径和球间距，它对植球工艺、基板技术、材料的兼容性、制造工艺，以及检查设备和方法提出了前所未有的挑战。
一．倒装芯片焊接的概念倒装芯片焊接（Flip-chip Bonding）技术是一种新兴的微电子封装技术，它将工作面（有源区面）上制有凸点电极的芯片朝下，与基板布线层直接键合。
一般来说，这类器件具备以下特点：1. 基材是硅；2. 电气面及焊凸在器件下表面；3. 球间距一般为 4-14mil 、球径为 2.5-8mil 、外形尺寸为 1 -27mm ；4. 组装在基板上后需要做底部填充。
其实，倒装芯片之所以被称为“倒装”，是相对于传统的金属线键合连接方式（Wire Bonding）与植球后的工艺而言的。
传统的通过金属线键合与基板连接的芯片电气面朝上（图1），而倒装芯片的电气面朝下（图2），相当于将前者翻转过来，故称其为“倒装芯片”。
在圆片（Wafer）上芯片植完球后（图3），需要将其翻转，送入贴片机以便于贴装，也由于这一翻转过程而被称为“倒装芯片”。
图1图2图3倒装芯片在1964年开始出现，1969年由IBM发明了倒装芯片的C4工艺（Controlled Collapse Chip Connection可控坍塌芯片联接）。
大功率LED芯片的封装(共晶焊)及倒装芯片(flip chip)
大功率LED芯片的封装（共晶焊）及倒装芯片（flip chip）美国GREE公司的1W大功率芯片（L型电极），它的上下各有一个电极。
其碳化硅（SiC）衬底的底层首先镀一层金属，如金锡合金（一般做芯片的厂家已镀好），然后在热沉上也同样镀一层金锡合金。
将LED芯片底座上的金属和热沉上的金属熔合在一起，称为共晶焊接，如图1所示。
对于这种封装方式，一定要注意当led芯片与热沉一起加热时，二者接触要好，最好二者之间加有一定压力，而且二者接触面一定要受力均匀，两面平衡。
控制好金和锡的比例，这样焊接效果才好。
这种方法做出来的LED的热阻较小、散热较好、光效较高。
这种封装方式是上、下两面输入电流。
如果与热沉相连的一极是与热沉直接导电的，则热沉也成为一个电极。
因此连接热沉与散热片时要注意绝缘，而且需要使用导热胶把热沉与散热片粘连好。
使用这种LED要测试热沉是否与其接触的一极是零电阻，若为零电阻则是相通的，故与热沉相连加装散热片时要注意与散热片绝缘。
共晶点加热温度也称为共晶点。
温度的多少要根据金和锡的比例来定：·AuSn（金80%，锡20%）：共晶点为282℃，加热时间控制在几秒钟之内。
·AuSn（金10%，锡90%）：共晶点为217℃，加热时间控制在几秒钟之内。
·AgSn（银3.5%，锡96.5%）：共晶点为232℃，加热时间控制在几秒钟之内。
1、倒装（Flip chip）1998年Lumileds公司封装出世界上第一个大功率LED（1W LUXOEN器件），使LED器件从以前的指示灯应用变成可以替代传统照明的新型固体光源，引发了人类历史上继白炽灯发明以来的又一场照明革命。
1WLUXOEN器件使LED的功率从几十毫瓦一跃超过1000毫瓦，单个器件的光通量也从不到1个lm飞跃达到十几个lm。
大功率LED 由于芯片的功率密度很高，器件的设计者和制造者必须在结构和材料等方面对器件的热系统进行优化设计。
Flip-Chip倒装焊芯片原理
（Flip-Chip）倒装焊芯片原理Flip Chip既是一种芯片互连技术，又是一种理想的芯片粘接技术．早在30年前IBM公司已研发使用了这项技术。
但直到近几年来，Flip-Chip已成为高端器件及高密度封装领域中经常采用的封装形式。
今天，Flip-Chip封装技术的应用范围日益广泛，封装形式更趋多样化，对Flip-Chip封装技术的要求也随之提高。
同时，Flip-Chip也向制造者提出了一系列新的严峻挑战，为这项复杂的技术提供封装，组装及测试的可靠支持。
以往的一级封闭技术都是将芯片的有源区面朝上，背对基板和贴后键合，如引线健合和载带自动健全（ＴＡＢ）。
ＦＣ则将芯片有源区面对基板，通过芯片上呈阵列排列的焊料凸点实现芯片与衬底的互连．硅片直接以倒扣方式安装到ＰＣＢ从硅片向四周引出Ｉ／Ｏ，互联的长度大大缩短，减小了ＲＣ延迟，有效地提高了电性能．显然，这种芯片互连方式能提供更高的Ｉ／Ｏ密度．倒装占有面积几乎与芯片大小一致．在所有表面安装技术中，倒装芯片可以达到最小、最薄的封装。
Flip chip又称倒装片，是在I/O pad上沉积锡铅球，然后将芯片翻转佳热利用熔融的锡铅球与陶瓷机板相结合此技术替换常规打线接合，逐渐成为未来的封装主流，当前主要应用于高时脉的CPU、GPU(GraphicProcessor Unit)及Chipset 等产品为主。
与COB相比，该封装形式的芯片结构和I/O端（锡球）方向朝下，由于I/O引出端分布于整个芯片表面，故在封装密度和处理速度上Flip chip已达到顶峰，特别是它可以采用类似SMT技术的手段来加工，因此是芯片封装技术及高密度安装的最终方向。
倒装片连接有三种主要类型Ｃ４(Controlled Collapse Chip Connection)、ＤＣＡ(Direct chip attach)和ＦＣＡＡ(Flip Chip Adhesive Attachement)。
Ｃ４是类似超细间距ＢＧＡ的一种形式与硅片连接的焊球阵列一般的间距为0.23、0.254mm。
倒装焊固晶工艺
芯片推力>2000g;
电性连接面接
触，可耐大电 流冲击
传统正装封装结构
倒装无金线封装结构
1 倒装结构LED芯片
低热阻，可大电流使用 结构及材料 大面积电极
物料 蓝宝石 银胶
导热系数(W/(m·K)) 35-36 2.5-30
蓝宝石层在芯片 下方，导热差
银胶热阻较高
`
Hale Waihona Puke 物料导热系数(W/(m·K))
金属合金
2 倒装焊固晶工艺
优点
成本低 工艺成熟 粘接强度高 效率高
工艺简单 粘接强度高 较好的导热性
优越的导热性 无焊剂
优越的导热性 工艺简单 粘接强度高
良好的导热性 良好的取光率
缺点 导热性差 挥发性
相对较低的导热性 粘度大，不均匀 挥发性 钎料溢出 孔洞 清洗 焊剂残留 孔洞 工艺复杂 效率低 粘接强度低
2 倒装焊固晶工艺
加热夹头可以显著减少孔洞 焊剂共晶在芯片中间有大的孔洞 加热夹头孔洞变得细小均匀
直接共晶 （加热焊盘）
焊剂共晶
直接共晶 （加热夹头和焊盘）
2 倒装焊固晶工艺
固晶质量
固晶方法 固晶材料
厚度
晶片倾斜
性能 孔洞 偏移
加热夹具共 AuSn20 晶焊
2μm
3μm
<10 1 mil %
晶片 支架
点胶
固晶
2 倒装焊固晶工艺
绝缘胶固晶
以绝缘胶在加热的条件下固化的方式粘合晶 片与支架 特点:1.粘接强度大2.绝缘胶透光可提升亮度
晶片 支架
绝缘胶点胶
固晶
固晶工艺
直接 共晶
焊剂 共晶
钎料 固晶
芯片倒装工艺
芯片倒装工艺
芯片倒装工艺，是一种将芯片反转并封装的技术，主要应用于大型集
成电路和数字信号处理器等高端芯片产品。
在传统封装技术中，芯片
一般是正面朝上，通过线路焊接等方式连接到封装器上。
而倒装工艺
则将芯片翻转后，将芯片焊接在封装器底部的铜带上，通过金线等连
接芯片和封装器。
芯片倒装工艺主要优点是实现更高的密度，更小的封装体积和更好的
散热效果。
由于芯片在倒装工艺中指向封装器的底部，所以可以减小
芯片与外部环境之间的距离，优化热传递效率。
此外，在倒装工艺中，芯片的引脚数量可以更高，因而可以实现更高的电路密度和更高的运
算速度。
然而，倒装工艺仍存在一些缺点。
首先，倒装工艺需要特殊的封装底
板和材料，加强了制造过程的难度和成本。
其次，倒装工艺对于芯片
间的接线等细节要求非常严格，其中不良的接线会导致芯片运行失败，并且难以检测。
最后，芯片倒装工艺在与外部世界的连接中需要较高
的精度，进行倒装工艺的生产线也对操作员要求更高，芯片共振也可
能影响系统性能。
总的来说，芯片倒装工艺的应用具有多重优点，同时也存在一些制造
和质量控制的挑战。
可以预见的是，随着电子产业的发展，芯片倒装工艺在高端芯片产品中将会成为越来越重要的封装技术。
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Flip Chip and Wafer Level Packaging Technology in HKUST 香港科技大學倒裝焊与晶片級封裝技術的研究
Electroplating solder bumping (Mainstream Flip Chip Technology) 电镀凸点工艺(主流倒装焊凸点技术)
Source: Dataquest, April 2001
Technology Leaders are Sold on Flip Chip 倒装焊在技术领先企业中的应用
Intel has migrated completely to flip chip bonded BGA for the Pentium 4 product family due to high clock speed and high pin-count (>4000). 鉴于高速和高引脚(>4000)要求，Intel已在奔腾4产品 系列中完全采用倒装焊键合的BGA技术。
19.3%
Note: FCIP is Flip Chip in Package FCOB is Flip Chip on Board COB is wire bonded die directly to substrate such as those used in watches, smart cards DCA is direct chip attach to substrates via other methods, such as conductive adhesive, microspring (Form Factor); welding TAB is tab-on-board (not in a package)
生产设备与芯片和印刷电路板工业相近
Compatible to Surface Mount Technology (SMT).
与表面贴装技术兼容
Produce smaller and lighter electronic module than wirebonded chips. 生产的电子模块比丝键合小且轻
Forecast on IC Unit IC产量预测(2000-2005)
Compound Annual Growth Rate: 8.3%
Units (Billion)
140
120
100
80
60
40
20
0 2000
2001
2002
2003
2004
Source: Electronic Trend Publications Inc, 2001
2000
4,026 1823 201 1622 1542 264 176 220
2001
4,691 2655 455 2200 1425 244 163 204
2002
5,626 3876 1001 2875 1225 228 140 158
2003
7,165 5534 1646 3888 1142 212 130 147
Low Risk and Established Infrastructure 低风险和建厂基础
Well established industrial infrastructure.
良好的建厂工业基础
Production equipment similar to chip and printer circuit board industries.
安全象只弓，不拉它就松，要想保安 全，常 把弓弦 绷。20.10.2112:33:2112:33O ct-2021-Oct-20
加强交通建设管理，确保工程建设质 量。12: 33:2112:33:2112:33Wednes day, October 21, 2020
安全在于心细，事故出在麻痹。20.10.2120.10.2112: 33:2112:33:21October 21, 2020
追求至善凭技术开拓市场，凭管理增 创效益 ，凭服 务树立 形象。2020年10月21日星期 三下午12时33分21秒12:33:2120.10.21
严格把控质量关，让生产更加有保障 。2020年10月 下午12时33分20.10.2112:33October 21, 2020
作业标准记得牢，驾轻就熟除烦恼。2020年10月21日星期 三12时33分21秒12:33:2121 October 2020
倒裝焊与晶片級封裝技術的研 究
Why Flip Chip?
Better manufacturing yield than wirebond for high pin-count chips. 對于高密度引腳芯片，成品率优于丝键合。
Faster manufacturing through-put than wirebond for high pin-count chips. 對于高密度引腳芯片，生产效率高于丝键合。
加强交通建设管理，确保工程建设质 量。12: 33:2112:33:2112:33Wednes day, October 21, 2020
安全在于心细，事故出在麻痹。20.10.2120.10.2112: 33:2112:33:21October 21, 2020
踏实肯干，努力奋斗。2020年10月21 日下午1 2时33 分20212020年10月 21日星 期三12时33分 21秒20.10.21
谢谢大家！
树立质量法制观念、提高全员质量意 识。20.10.2120.10.21Wednes day, October 21, 2020
人生得意须尽欢，莫使金樽空对月。12:33:2112:33: 2112:3310/21/2020 12:33:21 PM
好的事情马上就会到来，一切都是最 好的安 排。下 午12时33分21秒下午12时33分12:33:2120.10.21
一马当先，全员举绩，梅开二度，业 绩保底 。20.10.2120.10.2112: 3312:33:2112: 33:21Oct-20
牢记安全之责，善谋安全之策，力务 安全之 实。2020年10月21日 星期三12时33分21秒 Wednes day, October 21, 2020
先进封装的装配，如球形焊点阵列和芯片尺寸封装.
树立质量法制观念、提高全员质量意 识。20.10.2120.10.21Wednes day, October 21, 2020
人生得意须尽欢，莫使金樽空对月。12:33:2112:33: 2112:3310/21/2020 12:33:21 PM
安全象只弓，不拉它就松，要想保安 全，常 把弓弦 绷。20.10.2112:33:2112:33O ct-2021-Oct-20
The Flipchip bonded wafer market is predicted to grow 37% annually while the overall IC units will only grow 8%. 倒装焊晶片市场预计年增长37%，而整体IC增长仅8%。
The Flipchip bonded wafer is expected to increase from 3.4 million (2000) to 26.2 million (2005) wafers. 倒装焊晶片预计由三百四十万片(2000年)增长至二千六百 二十万片(2005年)。
晶片凸点制备：用于高速高输入/输出端口的先进集成电路芯片，及 先进芯片封装技术，如球形焊点阵列和芯片尺寸封装.
Redistribution of perimeter I/O (designed for wirebonding) to array I/O for advanced packaging.
Wafer-Level Input/output Redistribution. 晶片级输入/输出再发布工艺
Commercial Applications商业应用
For Integrated Circuit Wafer Foundry 集成电路晶片制造厂
Wafer bumping – advanced integrated circuit chips for high-speed, high input/output counts, and for chips going into advanced packages such as Ball Grid Array (BGA) and Chip Size Package (CSP).
Electroless UBM and stencil printing bumping (Lower cost Flip Chip Technology w/o photolithography and vacuum processing) 化学镀凸点下金属(UBM)和丝网印刷凸点工艺(低成 本倒装焊技术 - 不需用光刻和真空制造工艺)
2005 Year
DQ Forecast Bare Die Usage (1999-2004)
(UNIT) Total Bare Chip (Die)
Flip Chip FCIP FCOB
COB COF TAB DCA
1999
3,374 1209 144 1065 1516 260 173 217
More on Why Flip Chip?
Desirable for high-performance Ball Grid Array (BGA) package. 高性能球形焊点阵列封装需要倒装焊。
Desirable for Chip Size Package (CSP). 芯片尺寸封装技术需要倒装焊。
Source: Dataquest, April 2001
Forecast on Bumped Wafers Usage 凸点晶片使用预测 (2000-2005)