倒裝焊芯片原理

　　Flip Chip既是一種芯片互連技術(shù)，又是一種理想的芯片粘接技術(shù)．早在30年前IBM公司已研發(fā)使用了這項(xiàng)技術(shù)。但直到近幾年來，F(xiàn)lip-Chip已成為高端器件及高密度封裝領(lǐng)域中經(jīng)常采用的封裝形式。今天，F(xiàn)lip-Chip封裝技術(shù)的應(yīng)用范圍日益廣泛，封裝形式更趨多樣化，對Flip-Chip封裝技術(shù)的要求也隨之提高。同時(shí)，F(xiàn)lip-Chip也向制造者提出了一系列新的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，為這項(xiàng)復(fù)雜的技術(shù)提供封裝，組裝及測試的可靠支持。以往的封閉技術(shù)都是將芯片的有源區(qū)面朝上，背對基板和貼后鍵合，如引線健合和載帶自動健全（ＴＡＢ）。ＦＣ則將芯片有源區(qū)面對基板，通過芯片上呈陣列排列的焊料凸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)芯片與襯底的互連．硅片直接以倒扣方式安裝到ＰＣＢ從硅片向四周引出Ｉ／Ｏ，互聯(lián)的長度大大縮短，減小了ＲＣ延遲，有效地提高了電性能．顯然，這種芯片互連方式能提供更高的Ｉ／Ｏ密度．倒裝占有面積幾乎與芯片大小一致．在所有表面安裝技術(shù)中，倒裝芯片可以達(dá)到、薄的封裝。

　　Flip chip又稱倒裝片，是在I/O pad上沉積錫鉛球，然后將芯片翻轉(zhuǎn)佳熱利用熔融的錫鉛球與陶瓷機(jī)板相結(jié)合此技術(shù)替換常規(guī)打線接合，逐漸成為未來的封裝主流，當(dāng)前主要應(yīng)用于高時(shí)脈的CPU、GPU（GraphicProcessor Unit）及Chipset 等產(chǎn)品為主。與COB相比，該封裝形式的芯片結(jié)構(gòu)和I/O端（錫球）方向朝下，由于I/O引出端分布于整個(gè)芯片表面，故在封裝密度和處理速度上Flip chip已達(dá)到頂峰，特別是它可以采用類似SMT技術(shù)的手段來加工，因此是芯片封裝技術(shù)及高密度安裝的終方向。

　　倒裝片連接有三種主要類型Ｃ４（Controlled Collapse Chip Connection）、ＤＣＡ（Direct chip attach）和ＦＣＡＡ（Flip Chip Adhesive Attachement）。

　?。茫词穷愃瞥?xì)間距ＢＧＡ的一種形式與硅片連接的焊球陣列一般的間距為0.23、 0.254mm。焊球直徑為0.102、0.127mm。焊球組份為97Pb/3Sn。這些焊球在硅片上可以呈完全分布或部分分布。

　　由于陶瓷可以承受較高的回流溫度，因此陶瓷被用來作為Ｃ４連接的基材，通常是在陶瓷的表面上預(yù)先分布有鍍Au或Sn的連接盤，然后進(jìn)行Ｃ４形式的倒裝片連接。Ｃ４連接的優(yōu)點(diǎn)在于：

　?。保┚哂袃?yōu)良的電性能和熱特性

　?。玻┰谥械群盖蜷g距的情況下，Ｉ／Ｏ數(shù)可以很高３）不受焊盤尺寸的限制

　?。矗┛梢赃m于批量生產(chǎn)

　　５）可大大減小尺寸和重量

　?。模茫梁停茫搭愃剖且环N超細(xì)間距連接。ＤＣＡ的硅片和Ｃ４連接中的硅片結(jié)構(gòu)相同，兩者之間的區(qū)別在于基材的選擇。ＤＣＡ采用的基材是典型的印制材料。ＤＣＡ的焊球組份是97Pb/Sn，連接焊接盤上的焊料是共晶焊料（37Pb/63Sn）。對于ＤＣＡ由于間距僅為0.203、0.254mm共晶焊料漏印到連接焊盤上相當(dāng)困難，所以取代焊膏漏印這種方式，在組裝前給連接焊盤頂鍍上鉛錫焊料，焊盤上的焊料體積要求十分嚴(yán)格，通常要比其它超細(xì)間距元件所用的焊料多。在連接焊盤上0.051、0.102mm厚的焊料由于是預(yù)鍍的，一般略呈圓頂狀，必須要在貼片前整平，否則會影響焊球和焊盤的可靠對位。

　?。疲茫粒吝B接存在多種形式，當(dāng)前仍處于初期開發(fā)階段。硅片與基材之間的連接不采用焊料，而是用膠來代替。這種連接中的硅片底部可以有焊球，也可以采用焊料凸點(diǎn)等結(jié)構(gòu)。ＦＣＡＡ所用的膠包括各向同性和各向異性等多種類型，主要取決于實(shí)際應(yīng)用中的連接狀況，另外，基材的選用通常有陶瓷，印刷板材料和柔性電路板。倒裝芯片技術(shù)是當(dāng)今的微電子封裝技術(shù)之一。它將電路組裝密度提升到了一個(gè)新高度，隨著２１世紀(jì)電子產(chǎn)品體積的進(jìn)一步縮小，倒裝芯片的應(yīng)用將會越來越廣泛。

　　Flip-Chip封裝技術(shù)與傳統(tǒng)的引線鍵合工藝相比具有許多明顯的優(yōu)點(diǎn)，包括，優(yōu)越的電學(xué)及熱學(xué)性能，高I/O引腳數(shù)，封裝尺寸減小等。

　　Flip-Chip封裝技術(shù)的熱學(xué)性能明顯優(yōu)越于常規(guī)使用的引線鍵合工藝。如今許多電子器件；ASIC，微處理器，SOC等封裝耗散功率10-25W，甚至更大。而增強(qiáng)散熱型引線鍵合的BGA器件的耗散功率僅5-10W。按照工作條件，散熱要求（結(jié)溫），環(huán)境溫度及空氣流量，封裝參數(shù)（如使用外裝熱沉，封裝及尺寸，基板層數(shù)，球引腳數(shù)）等，相比之下，F(xiàn)lip-Chip封裝通常能產(chǎn)生25W耗散功率。

　　Flip-Chip封裝杰出的熱學(xué)性能是由低熱阻的散熱盤及結(jié)構(gòu)決定的。芯片產(chǎn)生的熱量通過散熱球腳，內(nèi)部及外部的熱沉實(shí)現(xiàn)熱量耗散。散熱盤與芯片面的緊密接觸得到低的結(jié)溫（θjc）。為減少散熱盤與芯片間的熱阻，在兩者之間使用高導(dǎo)熱膠體。使得封裝內(nèi)熱量更容易耗散。為更進(jìn)一步改進(jìn)散熱性能，外部熱沉可直接安裝在散熱盤上，以獲得封裝低的結(jié)溫（θjc）。

　　Flip-Chip封裝另一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是電學(xué)性能。引線鍵合工藝已成為高頻及某些應(yīng)用的瓶頸，使用Flip-Chip封裝技術(shù)改進(jìn)了電學(xué)性能。如今許多電子器件工作在高頻，因此信號的完整性是一個(gè)重要因素。在過去，2-3GHZ是IC封裝的頻率上限，F(xiàn)lip-Chip封裝根據(jù)使用的基板技術(shù)可高達(dá)10-40 GHZ 。