引言
翻转芯片技术已成为半导体行业中不可或缺的封装方法，在性能、尺寸减小和功能增加方面具有优势。本文概述翻转芯片技术，包括晶圆凸块制作工艺、组装方法和进展。
翻转芯片技术简介
翻转芯片技术由IBM在20世纪60年代初引入，涉及将芯片的有源表面直接通过导电凸块连接到基板上。与传统的引线键合相比，这种方法具有以下优势：
由于互连更短，电气性能更好
更高的I/O密度
更小的封装尺寸
更好的散热性能
晶圆凸块制作工艺
晶圆凸块制作是翻转芯片技术中的关键步骤。两种常见的方法是模板印刷和电镀。
模板印刷
模板印刷是一种简单且具有成本效益的晶圆凸块制作方法。过程包括：
通过模板将锡膏涂到晶圆焊盘上
回流锡膏形成凸块
图1说明了准备进行模板印刷的晶圆：
图1
该图显示了一个8英寸晶圆，每个芯片有48个焊盘，焊盘间距为0.75毫米。使用的模板具有不同的开口尺寸和形状，以优化凸块形成。
C4（受控塌陷芯片连接）晶圆凸块制作
C4凸块制作通常通过电镀完成，包括以下步骤：
溅射凸块下金属层（UBM）
涂布和图案化光刻胶
电镀铜和焊料
剥离光刻胶并蚀刻UBM
回流焊料形成球形凸块
图2说明了C4晶圆凸块制作过程：
图2
C2（芯片连接）晶圆凸块制作
C2凸块制作是C4的一种变体，使用带有焊料帽的铜柱。这种方法允许更细的间距和更好的热电性能。该过程与C4凸块制作类似，主要区别在于在焊料帽之前电镀铜柱。
图3显示了C2晶圆凸块制作过程：
图3
翻转芯片组装方法
有几种方法可以将翻转芯片组装到基板上。选择取决于凸块类型、间距和可靠性要求等因素。
C4或C2凸块的批量回流（CUF）
这是最常见的翻转芯片组装方法，包括：
在凸块或基板上涂助焊剂
将芯片放置在基板上
回流组件形成焊点
为提高可靠性而施加毛细管底填充（CUF）
图4说明了这个过程：
图4
低力热压键合（TCB）（CUF）
对于更高的引脚数和更细的间距，使用低力TCB：
涂助焊剂
将芯片放置在基板上
施加热量和低压力形成焊点
施加毛细管底填充
图5显示了这个过程：
图5
高力TCB（NCP/NCF）
对于更细的间距和更薄的封装，使用高力TCB和预先涂布的底填充：
在基板或芯片上涂布非导电糊料（NCP）或薄膜（NCF）
将芯片放置在基板上
施加热量和高压力同时形成互连并固化底填充
图6和7说明了这些过程：
图6
图7
用于可靠性的底填充
底填充对翻转芯片组件的可靠性非常重要，特别是在有机基板上。它有助于分散应力并保护焊点免受热疲劳和机械疲劳。
图8显示了底填充分配过程：
图8
先进的翻转芯片组装：C2凸块的LPC TCB
翻转芯片组装的最新进展是液相接触（LPC）TCB工艺。这种方法提供更高的产量和更好的焊点高度控制。
LPC TCB的主要特点：
焊料在接触基板之前熔化
更短的键合周期时间（<4秒）
精确控制焊点厚度
图9说明了LPC TCB过程：
图9
LPC TCB的优势：
更高的产量（每小时可达1，200单位）
优秀的焊料润湿性
精确控制支撑高度
图10显示了使用LPC TCB的芯片上基板（CoS）组件的横截面：
图10
焊点质量和可靠性
焊点的质量和可靠性对翻转芯片组件非常重要。影响接头质量的因素包括：
金属间化合物（IMC）的形成
焊点支撑高度
热循环性能
图11比较了不同工艺形成的焊点的界面微观结构：
图11
未来趋势和建议
随着半导体行业的不断发展，翻转芯片技术正在演变以应对新的挑战：
增加引脚数（高达10，000个）
减小焊盘间距（低至30μm）
更薄的芯片和基板
图12总结了不同翻转芯片组装方法的当前能力：
图12
对翻转芯片技术的建议：
对于大多数应用，在有机基板上使用C4凸块的批量回流和CUF仍然是最广泛使用的方法。
对于更高的引脚数和更细的间距，考虑使用小力TCB和C2凸块。
对于最高的引脚数和最细的间距，使用大力TCB和带有NCP/NCF的C2凸块。
关注LPC TCB等进展，以潜在地提高产量和焊点质量。
结论
翻转芯片技术继续成为半导体行业中的重要封装方法。通过了解各种凸块制作工艺、组装方法和最新进展，工程师可以为其特定应用需求选择最合适的技术。随着行业向更高集成度和更小的外形因素发展，翻转芯片技术将在实现电子设备中发挥越来越重要的作用。
参考文献
[1] J. H. Lau, "System-in-Package (SiP)," in Semiconductor Advanced Packaging. Singapore: Springer Nature Singapore Pte Ltd., 2021, ch. 2, pp. 27-65.
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