倒装芯片与表面贴装工艺
发布时间:2008/6/3 0:00:00 访问次数:423
黄强 |
（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏 无锡 214035） |
| 1引言 蜂窝电话，个人数码助理机(pda)，数码相机等各种消费类电子产品已逐渐变得更小，反应更为迅速，同时智能化的程度也越来越高。因而，电子封装及组装工艺必须跟上这一快速发展的步伐。随着材料性能、设备及工艺水平的不断提高，使得越来越多的电子制造服务公司(ems)不再满足于常规的表面贴装工艺(smt)，而不断尝试使用新型的组装工艺，这其中就包括倒装芯片(fc)。 为满足市场对提供“全方位解决方案”的需求，ems公司与半导体封装公司不论在技术还是在业务上都有着逐步靠拢相互重叠的趋势，但这对双方均存在不小的挑战。当电子产品从板上组装向元件组装(如fcbga或sip)转变时，将会产生许多全新的问题，其中包括互连时产生的应力，材料的不相容，加工工艺等的变化。
不管你是否打算在新产品中使用fc技术或者你正在考虑选择使用fc技术的最佳时机，都有必要了解fc技术并充分认识使用该技术可能带来的各种问题。 2fc技术简介
fc是指将芯片与基板直接安装互连的一种方法。与另两种已得到广泛应用的芯片级互连方法wb和tab相比，fc的芯片正面朝下，芯片上的焊区直接与基板上的焊区互连。与此同时，fc不仅仅是一种高密度芯片互连技术，它还是一种理想的芯片粘接技术，也正因为如此，fc在pga，bga和csp中都得到了广泛的应用。由于fc的互连线非常短，而且i／o引出端分布于整个芯片表面，同时fc也适合使用smt的技术手段来进行批量化的生产，因此fc将是封装以及高密度组装技术的最终发展方向。
严格地讲，fc并不是一项新的技术，早在1964年，为克服手工键合可靠性差和生产率低的缺点，ibm公司在其360系统中的固态逻辑技术(slt)混合组件中首次使用了该项技术。但从上世纪60年代直至80年代一直都未能取得重大的突破。直至近十年随着在材料、设备以及加工工艺等各方面的不断发展，同时随着电子产品小型化、高速度、多功能趋势的日益增强，fc又再次得到了人们的广泛关注。
fc自ibm的贝尔实验室首次开发至今已有40余年的历史，种类已有很多。如基板可选择陶瓷或pcr凸点又可分为焊料凸点以及非焊料凸点两大类，而非焊料凸点又包括金凸点和聚合物凸戍焊料凸点的制备可采用电镀法、蒸发／溅射法、喷射凸点法等。不同种类的fc都有其各自的优点和不足，其中焊料凸点倒装芯片或称可控塌陷芯片(c4)技术由于可采用smt在pcb上直接贴装并倒装焊，可以实现fc制造工艺与smt的有效结合，因而已成为当前国际上最为流行且最具发展潜力的fc技术，这也正是本文所主要讨论的内容。
c4技术最早是采用与硅的cte相近的陶瓷作为基板材料。然而，由于陶瓷的价格较高，同时介电常数过高，容易导致信号的延迟，此时有机的pcb基板开始进入人们的视野。但pcb与硅的cte差别过大，温度循环时很容易因过大的内应力造成焊接点的疲劳破坏。因此，直到上世纪八十年代，即在下填充技术发明之前，fc一直没实现实用化。
使用下填充料后焊点的疲劳寿命提高了10~100倍，然而，一方面填充的过程很费时间，另一方面也给返修带来了一定的困难，这已成为当前研究下填充技术的两个重要方向。除上述的下填充技术以外，芯片上“重新布线层”的制备以及与现有smt设备的兼容问题是影响fc推广应用的两个关键。 3焊料凸点倒装芯片工艺
典型的焊料凸点fc的工艺流程如图1所示，包括以下几个主要工艺步骤：涂覆焊料，放置芯片，回流焊和下填充。
为了提高产品的成品率，还必须对其它相关的规范和技术要求有一个透彻的理解。设计时首先必须考虑焊料球和焊球下金属化层(ubm)的结构，其目的是尽可能地减少由于芯片与基板互连时造成的内应力。根据已有的可靠性模型，如果设计合理的话，只会在焊料球的内部发生失效，可通过正确设计焊盘的结构、钝化层／聚酰亚胺的开口以及umb的结构来实现。钝化层的开口应起到减小电流密度、减少应力集中区域的密度、提高电迁移的时间以及尽可能增大umb和焊料球的横截面积。
焊料球的排布是设计时另一个需重点考虑的问题。除用来标明方向以外，所有焊料球的分布应尽可能地对称，同时还要考虑不会对后序的划片造成影响。除此以外，ic的其它设计准则同样也必须遵守，与此同时，为确保焊料球以及最终焊接后的质量，焊料球公司制定的一系列相应的规定也同样应当遵守。
电路板设计时须考虑的因素包括金属焊盘的尺寸以及焊料球
黄强 | （中国电子科技集团公司第58研究所，江苏 无锡 214035） | | 1引言 蜂窝电话，个人数码助理机(pda)，数码相机等各种消费类电子产品已逐渐变得更小，反应更为迅速，同时智能化的程度也越来越高。因而，电子封装及组装工艺必须跟上这一快速发展的步伐。随着材料性能、设备及工艺水平的不断提高，使得越来越多的电子制造服务公司(ems)不再满足于常规的表面贴装工艺(smt)，而不断尝试使用新型的组装工艺，这其中就包括倒装芯片(fc)。 为满足市场对提供“全方位解决方案”的需求，ems公司与半导体封装公司不论在技术还是在业务上都有着逐步靠拢相互重叠的趋势，但这对双方均存在不小的挑战。当电子产品从板上组装向元件组装(如fcbga或sip)转变时，将会产生许多全新的问题，其中包括互连时产生的应力，材料的不相容，加工工艺等的变化。
不管你是否打算在新产品中使用fc技术或者你正在考虑选择使用fc技术的最佳时机，都有必要了解fc技术并充分认识使用该技术可能带来的各种问题。 2fc技术简介
fc是指将芯片与基板直接安装互连的一种方法。与另两种已得到广泛应用的芯片级互连方法wb和tab相比，fc的芯片正面朝下，芯片上的焊区直接与基板上的焊区互连。与此同时，fc不仅仅是一种高密度芯片互连技术，它还是一种理想的芯片粘接技术，也正因为如此，fc在pga，bga和csp中都得到了广泛的应用。由于fc的互连线非常短，而且i／o引出端分布于整个芯片表面，同时fc也适合使用smt的技术手段来进行批量化的生产，因此fc将是封装以及高密度组装技术的最终发展方向。
严格地讲，fc并不是一项新的技术，早在1964年，为克服手工键合可靠性差和生产率低的缺点，ibm公司在其360系统中的固态逻辑技术(slt)混合组件中首次使用了该项技术。但从上世纪60年代直至80年代一直都未能取得重大的突破。直至近十年随着在材料、设备以及加工工艺等各方面的不断发展，同时随着电子产品小型化、高速度、多功能趋势的日益增强，fc又再次得到了人们的广泛关注。
fc自ibm的贝尔实验室首次开发至今已有40余年的历史，种类已有很多。如基板可选择陶瓷或pcr凸点又可分为焊料凸点以及非焊料凸点两大类，而非焊料凸点又包括金凸点和聚合物凸戍焊料凸点的制备可采用电镀法、蒸发／溅射法、喷射凸点法等。不同种类的fc都有其各自的优点和不足，其中焊料凸点倒装芯片或称可控塌陷芯片(c4)技术由于可采用smt在pcb上直接贴装并倒装焊，可以实现fc制造工艺与smt的有效结合，因而已成为当前国际上最为流行且最具发展潜力的fc技术，这也正是本文所主要讨论的内容。
c4技术最早是采用与硅的cte相近的陶瓷作为基板材料。然而，由于陶瓷的价格较高，同时介电常数过高，容易导致信号的延迟，此时有机的pcb基板开始进入人们的视野。但pcb与硅的cte差别过大，温度循环时很容易因过大的内应力造成焊接点的疲劳破坏。因此，直到上世纪八十年代，即在下填充技术发明之前，fc一直没实现实用化。
使用下填充料后焊点的疲劳寿命提高了10~100倍，然而，一方面填充的过程很费时间，另一方面也给返修带来了一定的困难，这已成为当前研究下填充技术的两个重要方向。除上述的下填充技术以外，芯片上“重新布线层”的制备以及与现有smt设备的兼容问题是影响fc推广应用的两个关键。 3焊料凸点倒装芯片工艺
典型的焊料凸点fc的工艺流程如图1所示，包括以下几个主要工艺步骤：涂覆焊料，放置芯片，回流焊和下填充。
为了提高产品的成品率，还必须对其它相关的规范和技术要求有一个透彻的理解。设计时首先必须考虑焊料球和焊球下金属化层(ubm)的结构，其目的是尽可能地减少由于芯片与基板互连时造成的内应力。根据已有的可靠性模型，如果设计合理的话，只会在焊料球的内部发生失效，可通过正确设计焊盘的结构、钝化层／聚酰亚胺的开口以及umb的结构来实现。钝化层的开口应起到减小电流密度、减少应力集中区域的密度、提高电迁移的时间以及尽可能增大umb和焊料球的横截面积。
焊料球的排布是设计时另一个需重点考虑的问题。除用来标明方向以外，所有焊料球的分布应尽可能地对称，同时还要考虑不会对后序的划片造成影响。除此以外，ic的其它设计准则同样也必须遵守，与此同时，为确保焊料球以及最终焊接后的质量，焊料球公司制定的一系列相应的规定也同样应当遵守。
电路板设计时须考虑的因素包括金属焊盘的尺寸以及焊料球
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