倒装芯片(FC,Flip-Chip)装配技术
FC装配技术
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对贴装精度及稳定性的要求 对于球间距小到0.1mm的器件，需要怎样的贴装精度才能达到较高的良率？ 基板的翘曲变形，阻焊膜窗口的尺寸和位置偏差，以及机器的精度等，都会 影响到最终的贴装精度。关于基板设计和制造的情况对于贴装的影响，我们 在此不作讨论，这芯片装配工艺对贴装设备的要求里我们只是来讨论机器的 贴装精度。为了回答上面的问题，我们来建立一个简单的假设模型： 1.假设倒装芯片的焊凸为球形，基板上对应的焊盘为圆形，且具有相同的直 径； 2.假设无基板翘曲变形及制造缺陷方面的影响； 3.不考虑Theta和冲击的影响； 4.在回流焊接过程中，器件具有自对中性，焊球与润湿面50%的接触在焊接 过程中可以被“拉正” 那么，基于以上的假设，直径μ的焊25m球如果其对应的圆形焊盘的直径为 50μm时，左右位置偏差（X轴）或 前后位置偏差（Y轴）在焊盘尺寸的50%， 焊球都始终在焊盘上（图9）。对于焊球直径为25μm的倒装芯片，工艺能力 Cpk要达到1.33的话，要求机器的最小精度必须达到12μm@3sigma。
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倒装芯片的装配工艺流程介绍 相对于其它的IC器件，如BGA、CSP等，倒装芯片装配工艺有其特殊性，该 工艺引入了助焊剂工艺和底部填充工艺。因为助焊剂残留物（对可靠性的影 响）及桥连的危险，将倒装芯片贴装于锡膏上不是一种可采用的装配方法。 业内推出了无需清洁的助焊剂，芯片浸蘸助焊剂工艺成为广泛使用的助焊技 术。目前主要的替代方法是使用免洗助焊剂，将器件浸蘸在助焊剂薄膜里让 器件焊球蘸取一定量的助焊剂，再将器件贴装在基板上，然后回流焊接；或 者将助焊剂预先施加在基板上，再贴装器件与回流焊接。助焊剂在回流之前 起到固定器件的作用，回流过程中起到润湿焊接表面增强可焊性的作用。 倒装芯片焊接完成后，需谄骷撞亢突逯涮畛湟恢纸海ㄒ话阄费跏 黪ゲ牧希５撞刻畛浞治凇懊噶鞫怼钡牧鞫院头橇鞫裕∟ofollow）底部填充。 上述倒装芯片组装工艺是针对C4器件（器件焊凸材料为SnPb、SnAg、SnCu 或SnAgCu）而言。另外一种工艺是利用各向异性导电胶（ACF）来装配倒 装芯片。预先在基板上施加异性导电胶，贴片头用较高压力将器件贴装在基 板上，同时对器件加热，使导电胶固化。该工艺要求贴片机具有非常高的精 度，同时贴片头具有大压力及加热功能。 对于非C4器件（其焊凸材料为Au 或其它）的装配，趋向采用此工艺。这里，我们主要讨论C4工艺，下表列出 的是倒装芯片植球（Bumping）和在基板上连接的几种方式。
fc封装技术简介
FC封装技术简介1.FC封装技术概述FC封装技术，即Flip Chip封装技术，是一种直接将芯片与电路板进行连接的封装形式。
在FC封装中，芯片与电路板之间的连接通过微凸点（micro-bumps）实现，这些微凸点通常由焊料、金、锡等材料制成。
与传统的引线键合技术相比，FC封装技术具有更高的连接密度和更短的连接路径，从而能够提供更好的电气性能和可靠性。
此外，FC封装技术的体积小、重量轻等特点，使其在各种电子设备中得到了广泛的应用。
2.FC封装技术的基本构成FC封装技术主要由芯片、电路板、微凸点三个部分组成。
芯片是封装的主要部分，其上集成了各种电子器件。
电路板是芯片的载体，通常由有机材料制成，如聚酰亚胺等。
微凸点则是连接芯片与电路板的桥梁，通过热压或超声波焊接等方法将芯片与电路板连接在一起。
3.FC封装技术的优点FC封装技术具有以下优点：（1）高连接密度：由于微凸点的尺寸很小，可以实现高连接密度，从而减小芯片的尺寸和体积。
（2）高可靠性：由于连接点被均匀地分布在芯片表面上，因此可靠性更高。
（3）低功耗：由于连接点的数量少，热阻降低，散热性能更好，因此功耗更低。
（4）高速传输：由于连接路径短，信号传输速度更快。
4.FC封装技术的制造流程FC封装的制造流程包括以下几个步骤：（1）芯片准备：清洗芯片表面，去除氧化物和杂质。
（2）微凸点制作：在芯片表面涂覆一层金属材料，然后通过光刻和刻蚀等工艺形成微凸点。
（3）电路板准备：清洗电路板表面，去除杂质和氧化物。
（4）芯片贴装：将芯片有微凸点的一面朝下放置在电路板上，并通过热压或超声波焊接等方法将微凸点与电路板上的导电层连接在一起。
（5）塑封：用环氧树脂等塑封材料将芯片和电路板包裹起来，以保护它们不受外界环境的影响。
（6）测试和分选：对封装好的芯片进行测试和分选，确保其性能符合要求。
5.FC封装技术的应用领域FC封装技术广泛应用于各种领域，如通信、计算机、汽车电子、医疗器械等。
flip chip工艺技术
flip chip工艺技术Flip chip工艺技术是一种电子封装技术，它将芯片直接倒装在基板上，通过金线、焊球或者导电胶等连接芯片和基板之间的引脚，以实现电信号的传输。
相比传统的片上线缆（wire bonding）技术，flip chip工艺具有许多优势，如更高的可靠性、更小的封装尺寸和更高的电路性能等。
Flip chip工艺技术最早出现在1961年，当时IBM公司发明了一种在芯片表面覆盖一层金球，并将其倒装在基板上的方法。
经过多年的发展，flip chip工艺技术已经成为现代电子封装领域中的一个重要技术。
首先，flip chip工艺技术可以在同一面芯片上实现更多的输入输出（I/O）引脚，从而提高了芯片的连接密度。
对于高性能芯片来说，这项技术尤为重要。
根据需要，芯片制造商可以在芯片上布置成百上千个引脚，实现更高级别的功能和更复杂的电路设计。
其次，flip chip工艺技术可以显著减小芯片封装的尺寸。
由于芯片是倒装在基板上的，消除了传统封装技术中的芯片焊线和封装间隙，使得整个封装尺寸更小。
作为结果，这种封装技术对于紧凑型电子设备的制造非常有吸引力，例如智能手机、平板电脑和可穿戴设备等。
另外，flip chip工艺技术还具有更高的可靠性。
由于芯片和基板之间的连接是直接的，没有中间电线或导线，所以连接更加牢固。
此外，由于距离更短，电信号传输速度更快，噪声也更小，因此电路性能更稳定。
然而，flip chip工艺技术也存在一些挑战。
首先，由于芯片倒装在基板上，制造过程需要更加精确和复杂的操作。
其次，倒装引脚之间的热量分布不均匀可能会导致芯片热量过量和不均匀，从而影响芯片的性能和寿命。
此外，由于芯片和基板的直接接触，其之间必须要有一层合适的介质材料来调整它们之间的电学和热学性能。
这样的介质材料需要具备良好的导热性、电性能和耐久性。
总结来说，flip chip工艺技术是一种先进的电子封装技术，具有更高的可靠性、更小的封装尺寸和更高的电路性能等优势。
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
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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
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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。
倒装封装(FC)方案(一)
倒装封装（FC）方案背景与目标随着中国半导体产业的快速发展，传统封装技术已无法满足市场对高性能、高可靠性产品的需求。
倒装封装（FC）技术作为第三代封装技术，具有高密度、高性能、低成本等优势，成为产业结构改革的重要方向。
本方案旨在推广倒装封装技术在中国的应用，促进半导体产业的发展。
工作原理倒装封装（FC）技术是一种基于芯片底部连接的封装方法。
通过在芯片底部制作凸点，实现与基板的连接。
该技术可实现更高的I/O密度、更短的连接距离和更好的电性能。
此外，FC技术还具有高可靠性和低成本的优点。
实施计划步骤1.技术研究与开发（R&D）: 首先，进行必要的技术研究与开发，包括凸点制作、芯片与基板连接技术、底部填充材料等关键技术。
2.设备采购与调试: 根据技术要求，采购相应的生产设备，并进行调试与验证，确保设备的稳定性和可靠性。
3.小批量试产: 在技术验证通过后，进行小批量试产，进一步验证生产流程和产品性能。
4.大规模量产: 在小批量试产成功后，进行大规模量产，以满足市场需求。
5.持续改进与优化: 根据市场反馈和生产数据，不断优化生产工艺和流程，提高产品质量和生产效率。
适用范围倒装封装技术适用于多种领域，如移动通信、汽车电子、云计算等。
特别是对于高性能、高可靠性、低成本的产品需求，倒装封装具有显著优势。
创新要点1.凸点制作技术创新: 开发适用于倒装封装的凸点制作技术，实现高密度、高性能的连接。
2.材料选择与优化: 选择合适的底部填充材料和其他相关材料，确保产品的可靠性和性能。
3.生产流程优化: 通过工艺研究和设备调试，实现生产流程的优化，提高生产效率和产品质量。
4.市场推广与应用拓展: 加强与客户的沟通和合作，将倒装封装技术推广到更多领域和应用场景。
预期效果预计通过本方案的实施，可以带来以下预期效果：1.提高半导体产业的技术水平和竞争力；2.促进中国半导体产业的结构改革和升级；3.满足市场对高性能、高可靠性产品的需求；4.提高企业的生产效率和产品质量；5.增强中国半导体产业的国际竞争力。
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
Prof. Wu Fengshun,
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
FC简介
B. 压力烘箱原理视图：
C. Underfill 点胶模拟(Glass die)：
Underfill 点胶视图
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Thanks！
点胶机：Protec
Normal & Pressure烘箱
Nozzle Epoxy PCB
点胶前
Underfill
点胶后
SAT扫描
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倒装芯片封测流程
Underfill (底部填充-CUF)：
A. 毛细作用及原理视图：指液体在细管状 物体内侧，由于内聚力与附着力的差异、 克服地心引力而上升的现象；
倒装芯片封测流程
Pre-bake
基板预烘烤 锡膏印刷 表面贴装
UF Pre-bake Plasma UF
UF预烘烤 离子清洗 UF点胶 UF胶固化
Chip mount 上板&S/M Pre-bake FCA Reflow
SMT
Printing
UF
上Carrier 基板预烘烤 芯片倒装 回流炉 去Flux清洗 Fail
UF Cure
SAT 清洗 烘烤 3/O QA
Pass 3rd 检验 QA 3rd 检验 下Carrier
SAT抽检 抽检基板清洗 抽检基板除湿
FCA
Deflux
下板
倒装芯片封测流程
Surface Mount Technology (表面元件贴装)：
通过锡膏印刷的方式进行元件贴装，将电容、电阻、电感等元器件贴焊于基板上.
Die attach
Process simulation
倒装芯片封测流程
Flipchip Attach (芯片倒装)：
芯片倒装Process 产品贴装之后通过X-ray确认芯片贴装效果，含芯片偏移/虚焊/桥接 /Bump空洞等确认项.
封装工艺中倒装(FC)工艺和材料介绍
Temperature vs. Viscosity, Flow Rate
3
2.5
2
1.5
80-100°C is
1
recommended
0.5
0
60
80
100
120
PCB Prebake UF plasma clean
Underfill Underfill cure
Reduces underfill viscosity
By substrate topography
Flux residue
By moisture contamination
By cleaning residue
Major defects in Flipchip and UF
▶ Moisture Void
Major defects in Flipchip and UF
▷ Substrate type ▷ Plasma condition: Power (watt) & Time ▷ Heat block temperature ▷ Dispensing pattern
Causes
Countermeasures
Because of weak interaction
Why use flip chip?
Smallest Size Highest Performance Greatest I/O Flexibility Most Rugged Lowest Cost
Process flow of Super FC
FOL 2 (Memory)
Wafer Backgrind 2 Wafer Mount 2 Wafer Saw 2
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倒装芯片（FC，Flip-Chip）装配技术
时间：2010-05-27 23:04:25 来源：网络
倒装芯片焊接完成后，需要在器件底部和基板之间填充一种胶（一般为环氧树酯材料）。
底部填充分为于“ 毛细流动原理” 的流动性和非流动性（No-follow ）底部填充。
上述倒装芯片组装工艺是针对C4 器件（器件焊凸材料为SnPb 、SnAg 、SnCu 或SnAgCu ）而言。
另外一种工艺是利用各向异性导电胶（ACF ）来装配倒装芯片。
预先在基板上施加异性导电胶，贴片头用较高压力将器件贴装在基板上，同时对器件加热，使导电胶固化。
该工艺要求贴片机具有非常高的精度，同时贴片头具有大压力及加热功能。
对于非C4 器件（其焊凸材料为Au 或其它）的装配，趋向采用此工艺。
这里，我们主要讨论C4 工艺，下表列出的是倒装芯片植球（Bumping ）和在基板上连接的几种方式。
倒装倒装芯片几何尺寸可以用一个“ 小” 字来形容：焊球直径小（小到0.05mm ），焊球间距小（小到0.1mm ），外形尺寸小（1mm 2 ）。
要获得满意的装配良率，给贴装设备及其工艺带来了挑战，随着焊球直径的缩小，贴装精度要求越来越高，目前12μm 甚至10μm 的精度越来越常见。
贴片设备照像机图形处理能力也十分关键，小的球径小的球间距需要更高像素的像机来处理。
随着时间推移，高性能芯片的尺寸不断增大，焊凸（Solder Bump）数量不断提高，基板变得越来越薄，为了提高产品可靠性底部填充成为必须。
对贴装压力控制的要求
考虑到倒装芯片基材是比较脆的硅，若在取料、助焊剂浸蘸过程中施以较大的压力容易将其压裂，同时细小的焊凸在此过程中也容易压变形，所以尽量使用比较低的贴装压力，一般要求在150g 左右。
对于超薄形芯片，如0.3mm ，有时甚至要求贴装压力控制在35g 。
对贴装精度及稳定性的要求
对于球间距小到0.1mm 的器件，需要怎样的贴装精度才能达到较高的良率？基板的翘曲变形，阻焊膜窗口的尺寸和位置偏差，以及机器的精度等，都会影响到最终的贴装精度。
关于基板设计和制造的情况对于贴装的影响，我们在此不作讨论，这芯片装配工艺对贴装设备的要求里我们只是来讨论机器的贴装精度。
为了回答上面的问题，我们来
建立一个简单的假设模型：
1. 假设倒装芯片的焊凸为球形，基板上对应的焊盘为圆形，且具有相同的直径；
2. 假设无基板翘曲变形及制造缺陷方面的影响；
3. 不考虑Theta 和冲击的影响；
4. 在回流焊接过程中，器件具有自对中性，焊球与润湿面50% 的接触在焊接过程中可以被“ 拉正” 。
那么，基于以上的假设，直径25μm 的焊球如果其对应的圆形焊盘的直径为50μm 时，左右位置偏差（X 轴）或前后位置偏差（Y 轴）在焊盘尺寸的50% ，焊球都始终在焊盘上（图9 ）。
对于焊球直径为25μm 的倒装芯片，工艺能力Cpk 要达到1.33 的话，要求机器的最小精度必须达到12μm@3sigma 。