倒装芯片键合技术
倒装焊与芯片级封装技术的研究
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)
微系统封装技术-键合技术
航空航天领域
用于制造微型化航空电子设备、 卫星电路模块等。
通信领域
用于制造手机、路由器、交换 机等通信设备中的微型化电路 模块。
医疗领域
用于制造微型化医疗器械，如 植入式电子器件、医疗传感器 等。
智能制造领域
用于制造微型化工业传感器、 控制器等智能制造设备中的电 路模块。
02
键合技术的基本原理
键合技术的定义
键合技术的关键要素
键合材料的选择
总结词
选择合适的键合材料是实现高质量微系统封装的关键，需要考虑材料的物理性质、化学稳定性、热膨胀系数匹配 等因素。
详细描述
在微系统封装中，键合材料的选择至关重要。材料需要具备优良的导热性、导电性、耐腐蚀性和稳定的化学性质， 以确保键合的可靠性和长期稳定性。此外，材料的热膨胀系数也需要与基材相匹配，以减少因温度变化引起的应 力，防止键合层破裂或脱落。
超声键合技术
超声键合技术是一种利用超声波能量实现芯片 与基板连接的封装技术。
超声键合技术具有非热、非机械接触、快速和 低成本的优点，适用于各种不同类型的材料和 器件。
超声键合技术的关键在于超声波的传播和控制， 需要精确控制超声波的频率、振幅和作用时间 等参数，以确保键合的质量和可靠性。
热压键合技术
环境友好型封装技术
无铅封装
推广无铅封装技术，减少 对环境的重金属污染，满 足绿色环保要求。
可回收封装
研究开发可回收再利用的 封装材料和工艺，降低资 源消耗和环境污染。
节能封装
优化封装设计和工艺，降 低微系统封装的能耗，实 现节能减排的目标。
06
结论
微系统封装技术的重要性
提升电子设备性能
节能环保
键合质量的检测与控制
倒装芯片键合技术
倒装芯片键合技术
嘿，朋友们！今天咱来聊聊这个倒装芯片键合技术呀！这玩意儿可神奇了，就像是给电子世界搭起了一座特别的桥梁。
你想想看，那些小小的芯片，就好像是一个个小精灵，它们有着巨大的能量和潜力。
而倒装芯片键合技术呢，就是让这些小精灵能够稳稳地待在它们该在的地方，发挥出它们的本领。
它就像是一个超级厉害的魔术师，能把芯片和基板紧紧地连在一起，让它们亲密无间地合作。
这可不是随随便便就能做到的呀！这需要非常精细的操作和高超的技艺。
比如说吧，就好像我们盖房子，得把每一块砖都放得稳稳当当的，这样房子才不会摇摇晃晃。
倒装芯片键合技术也是这样，要把芯片准确无误地键合到基板上，稍有偏差都不行呢！这可真是个技术活啊！
而且啊，这个技术还在不断发展和进步呢！就像我们人一样，要不断学习和成长。
它变得越来越厉害，能让我们的电子设备越来越小巧、越来越强大。
你再想想，要是没有这个倒装芯片键合技术，我们的手机能这么智能吗？我们的电脑能这么快速吗？那肯定不行呀！它就像是背后的无名英雄，默默地为我们的科技生活贡献着力量。
你说，这倒装芯片键合技术是不是很了不起？它让那些小小的芯片发挥出了大大的作用，让我们的生活变得更加丰富多彩。
我们真应该好好感谢这个神奇的技术呀！它就像是给我们的科技世界注入了一股强大的动力，推动着我们不断向前。
所以呀，可别小瞧了它哟！这就是倒装芯片键合技术，一个充满魅力和神奇的技术！。
倒装芯片技术
4. Amelco——Au凸点 5. 目前全世界的倒装芯片消耗量超过年60万片，且以约50％的
速度增长，3％的圆片用于倒装芯片凸点。几年后可望超过
20％。
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2019/11/17
Prof. Wu Fengshun, fengshunwu@
华中科技大学材料学院连接与电子封装中心
华中科技大学材料学院连接与电子封装中心
底部填充与否
有各种不同的倒装芯片互连工艺，但是其结构基本特点 都是芯片面朝下，而连接则使用金属凸点。而最终差别就是使 用底部填充与否。
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2019/11/17
Prof. Wu Fengshun, fengshunwu@
华中科技大学材料学院连接与电子封装中心
Gold wire
华中科技大学材料学院连接与电子封装中心
钉头金凸点制作
Gold ball
Ball bonding
Wire breaking
Gold stud bump
Coining (level)
Gold stud
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2019/11/17
Prof. Wu Fengshun, fengshunwu@
不同的倒装芯片连接方法
1. 焊料焊接 2. 热压焊接 3. 热声焊接 4. 粘胶连接
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2019/11/17
Prof. Wu Fengshun, fengshunwu@
华中科技大学材料学院连接与电子封装中心
Coffin-Manson 低周疲劳模型
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2019/11/17
华中科技大学材料学院连接与电子封装中心
优点－01
小尺寸: 小的IC引脚图形 (只有扁平封装的5％）减小了高 度和重量。 功能增强: 使用倒装芯片能增加I/O 的数量。I/O 不像导线 键合中出于四周而收到数量的限制。面阵列使得在更小的空 间里进行更多信号、功率以及电源等地互连。一般的倒装芯 片焊盘可达400个。
倒装芯片技术【2024版】
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2024/11/8
Prof. Wu Fengshun,
倒装芯片历史
1. IBM1960年研制开发出在芯片上制作凸点的倒装芯片焊接工
艺技术。95Pb5Sn凸点包围着电镀NiAu的铜球。后来制作
PbSn凸点，使用可控塌焊连接（Controlled collapse
Component Connection, C4），无铜球包围。
凸点
热压倒装芯片连接最合适的凸点材料是金，凸点可以通过传 统的电解镀金方法生成，或者采用钉头凸点方法，后者就是 引线键合技术中常用的凸点形成工艺。由于可以采用现成的 引线键合设备，因此无需配备昂贵的凸点加工设备，金引线 中应该加入1% 的Pd ，这样便于卡断凸点上部的引线。凸点 形成过程中，晶圆或者基板应该预热到150～ 200° C。
效的冷却。
➢ 低成本：批量的凸点降低了成本。
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2024/11/8
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I/O 数比较
倒装芯片与扁平封装的引脚数比较
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2024/11/8
Prof. Wu Fengshun,
信号效果比较
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2024/11/8
Prof. Wu Fengshun,
缺点－01
➢ 裸芯片很难测试
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2024/11/8
Prof. Wu Fengshun,
生产问题
倒装芯片的连接头应该能够产生300°C 的连接温 度， 要有较高的平行对准精度，为了防止半导体材料 发生损伤，施加压力时应该保持一定的梯度。在热压倒 装芯片连接中，凸点发生变形是不可避免的，这也是形 成良好连接所必需的。另外，连接压力和温度应该尽可 能低，以免芯片和基板损坏。
电子制造技术基础
倒装芯片介绍
Source: Philips
一、倒装芯片技术
定义：
倒装芯片组装就是通过芯片上的凸点直接将元器件朝下 互连到基板、载体或者电路板上，芯片直接通过凸点直 接连接基板和载体上,整个芯片称为倒装芯片(Flip Chip)。
普通激光切割后wafer侧面
劈裂后wafer侧面
隐形激光切割后wafer侧面
三、工艺流程简介
Wafer 扩张：
Wafer扩张是将已经分离开的晶粒之间的距离变大，利于后面测试和分级设备 工作。
三、工艺流程简介
自动外观检测：
自动外观检测是通过AOI设备 对芯片的外观缺陷判定，尽可能 避免分级过程中外观坏品混入好 品当中。 常见的外观不良有：电极污染、 电极缺损、电极划伤、ITO区域 污染、切割不良等
曝光（MPA & STEPPER）
图1：Coating设备
显影（Developer）
图3：显微镜
检查（Inspection） 图2：Develop设备
黄光工艺流程及常见缺陷
Epi Partical
Photo defect
Scratch
Mask defect
Under develop
三、工艺流程简介
蓝宝石特性
在低于熔点温度范围内, 仍具有良好的化学稳定性和机械、物理等性能； 光学透过范围宽, 特别在1 500~7500 nm, 透过率达85%； 有与纤锌矿III 族氮化物相同的对称性, 故用于GaN 的外延衬底材料。
三、工艺流程简介
图形化蓝宝石衬底技术：
倒装键合工艺分类
倒装键合工艺分类倒装键合工艺是一种用于将芯片与基板连接的常用技术，其分类如下所述。
●芯片准备在倒装键合工艺中，芯片是连接基板的关键元件。
为了确保键合过程的顺利进行，需要对芯片进行以下准备：●芯片清洗：去除芯片表面的杂质和污染物，以确保键合过程中的连接质量。
●芯片定位：通过使用定位标记或对准标记，将芯片放置在基板上正确的位置。
基板准备基板是芯片连接的载体，因此需要对基板进行以下准备：●基板清洗：去除基板表面的杂质和污染物，以确保芯片能够牢固地连接在基板上。
●基板上锡：在基板的连接点上涂覆助焊剂，以促进芯片与基板的连接。
倒装键合设备倒装键合设备是用于执行倒装键合工艺的关键设备，其分类如下：●热压倒装键合设备：通过加热和加压的方式，将芯片与基板紧密连接在一起。
●超声倒装键合设备：通过超声波振动能量，将芯片与基板连接在一起。
键合参数设置在倒装键合过程中，需要根据工艺要求设置以下参数：●温度：加热温度是影响倒装键合质量的重要因素。
●压力：加压力度会直接影响芯片与基板的连接牢固程度。
●时间：加热时间会影响芯片与基板的热扩散程度，从而影响连接质量。
键合质量检测为了确保倒装键合的质量，需要进行以下检测：●光学检测：通过使用显微镜等光学仪器观察芯片与基板的连接情况，以判断是否存在连接不良等问题。
●电学检测：通过测试芯片与基板之间的电气性能，以判断连接是否良好。
例如，测试连接点的电阻、电容、电感等参数。
●可靠性测试：通过模拟实际工作环境中的温度、湿度、压力等条件，对连接进行可靠性测试，以确保连接能够满足产品要求。
例如，进行高温存储测试、低温存储测试、温度循环测试等。
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。
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倒装芯片（FCB）
2.关键技术
(1)芯片凸点的制作技术
SBB（stud Bump Bonding）； 溅射丝网印刷技术； 电镀凸点制作技术； 化学镀UBM/丝网印刷凸点制作技术; 聚合物凸点.
倒装芯片（FCB）
2.关键技术
(1)芯片凸点的制作技术
倒装芯片（FCB）
2.关键技术
(1)芯片凸点的制作技术
3.无铅化的凸点技术
倒装芯片（FCB）
3.无铅化的凸点技术
倒装芯片（FCB）
3.无铅化的凸点技术
谢谢观赏！
2020/11/5
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倒装芯片（FCB）
2.关键技术
(1)芯片凸点的制作技术
倒装芯片（FCB）
2.关键技术
(2)凸点芯片的倒装焊
倒装焊互连基板的金属焊区要求： 焊区与芯片凸点金属具有良好的浸润性； 基板焊区：Ag/Pd、Au、Cu(厚膜）
Au、Ni、Cu（薄膜）
倒装芯片（FCB）
2.关键技术
（2）凸点芯片的倒装焊 热压焊倒装焊法
溅射丝网印刷技术
倒装芯片（FCB）
2.关键技术
(1)芯片凸点的制作技术
电镀凸点制作法
倒装芯片（FCB）
2.关键技术
(1)芯片凸点的制作技术
化学镀UBM/丝网印刷凸点制作技术
倒装芯片（FCB）
2.关键技术
(1)芯片凸点的制作技术
聚合物凸点：是Polymer Flip Chip Cor.的专利产品， 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FC。但作为一种新兴起的FC，其实用性有待 观察。
倒装芯片（FCB）
2.关键技术
（2）凸点芯片的倒装焊 各向异性导电胶（ACA、ACF）
倒装芯片（FCB）
2.关键技术
（3）底部填充
倒装芯片（FCB）
2.关键技术
（3）底部填充
倒装芯片（FCB）
2.关键技术（3）底部填充来自填料要求：倒装芯片（FCB）
2.关键技术
（3）底部填充
毛细作用！！！
倒装芯片（FCB）
倒装芯片（FCB）
2.关键技术
（2）凸点芯片的倒装焊 再流倒装焊（C4）技术
倒装芯片（FCB）
2.关键技术
（2）凸点芯片的倒装焊 环氧树脂光固化倒装焊法
倒装芯片（FCB）
2.关键技术
（2）凸点芯片的倒装焊 各向异性导电胶（ACA、ACF）
导电粒子含量：10%
倒装芯片（FCB）
2.关键技术
（2）凸点芯片的倒装焊 各向异性导电胶（ACA、ACF）
倒装芯片键合技术
概述
概述
倒装芯片（FCB）
• 1.发展历史
• 2.关键技术
芯片凸点的制作技术 凸点芯片的倒装焊 底部填充
• 3.无铅化的凸点技术
倒装芯片（FCB）
1. 发展历史
1964倒装芯片出现； 1969年，IBM公司C4技术（可控塌陷技术）； 至今，已广泛应用于SIP,MCM,微处理器，硬盘驱动器以及RFID等领域。