文章來(lái)源：鮮棗課堂

原文作者：小棗君

本文介紹了封裝工藝中的倒裝封裝技術(shù)。

倒裝封裝（Flip Chip）

業(yè)界普遍認(rèn)為，倒裝封裝是傳統(tǒng)封裝和先進(jìn)封裝的分界點(diǎn)。

1990年代，芯片封裝發(fā)展來(lái)到第三階段，代表類型是BGA（球形陣列）封裝。早期的BGA封裝，是WB（Wire Bonding，引線） BGA，屬于傳統(tǒng)封裝。后來(lái)，芯片的體積越來(lái)越小，而單顆芯片內(nèi)的焊盤數(shù)量越來(lái)越多（接近或超過(guò)1000個(gè)）。傳統(tǒng)的引線封裝，已經(jīng)無(wú)法滿足要求。

于是，采用倒裝技術(shù)替換焊線的FC BGA封裝，就出現(xiàn)了。

所謂“倒裝”，就是在晶粒上創(chuàng)造一些由焊料制成的“凸點(diǎn)”或“球”。然后，把晶粒反轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)，讓凸點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)基板上的焊盤，直接扣在基板上。

通過(guò)加熱，讓熔融的凸點(diǎn)與基板焊盤相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)晶粒與基板的結(jié)合。

WB BGA與FC BGA

我們來(lái)看看具體的工藝流程。

以FC BGA為例。前面減薄、切割、清洗、光檢，和WB BGA（傳統(tǒng)封裝）差不多。

要把晶粒與基板連在一起（后面會(huì)說(shuō)，這叫“鍵合”），開始不一樣了。

第一步，是凸點(diǎn)制作（Bumping）。

倒裝封裝包括熱超聲、回流焊和熱壓三種工藝，其凸點(diǎn)分別使用金球、錫球和銅柱。

熱超聲，是在超聲和溫度的共同作用下, 將金凸點(diǎn)“粘”在基板的焊盤上。這種方式，適用于I/O密度較小的芯片。

回流焊，是在錫凸點(diǎn)表面涂覆助焊劑，再通過(guò)熱回流加熱，進(jìn)行焊接。這種方式也適合I/O密度較?。ㄍ裹c(diǎn)間距40-50μm）的芯片。

熱壓（Thermal Compression Bonding，TCB），采用高深寬比、小尺寸的銅柱凸點(diǎn)，直接加熱粘結(jié)。這種方式能夠?qū)崿F(xiàn)高密度互聯(lián)，適用于I/O密度較大（凸點(diǎn)間距40-10μm）的芯片。

金凸點(diǎn)的成本高。相比之下，銅柱凸點(diǎn)的電性能、散熱性能比較好，制備難度均衡，成本也比較低，所以用得比較多。

電子顯微鏡下的凸點(diǎn)

制作凸點(diǎn)的流程比較復(fù)雜。其實(shí)說(shuō)白了，就是前面晶圓制造時(shí)的那套工藝，例如沉積、光刻、刻蝕等。

沉積包括UBM（Under Bump Metallization，凸點(diǎn)下金屬化層）的沉積和凸點(diǎn)本身的沉積。UBM位于凸點(diǎn)與芯片焊盤（金屬墊，Al pad鋁墊層）之間，起到增強(qiáng)凸點(diǎn)附著力、提高電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率的作用。

UBM的沉積，通常采用濺射（Sputtering）、化學(xué)鍍（Electroless）、電鍍（Electroplating）的方式實(shí)現(xiàn)。

凸點(diǎn)本身的沉積，通常采用電鍍、印刷、蒸鍍、植球的方式實(shí)現(xiàn)（前兩者比較常見）。

大致的流程可以看下面的示例圖：

比較特別的是，最后多了一個(gè)步驟——“回流”，把錫帽變成了子彈頭形狀。

第二步，是對(duì)準(zhǔn)和貼裝。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是使用精密的貼裝設(shè)備，將晶粒上的凸點(diǎn)與基板上的焊盤進(jìn)行精確對(duì)準(zhǔn)，然后通過(guò)回流焊等工藝，實(shí)現(xiàn)凸點(diǎn)與焊盤的連接。

回流焊的大致過(guò)程：

回流焊流程

先將晶粒（芯片）的凸點(diǎn)沾上助焊劑，或者在基板上加定量的助焊劑。助焊劑的作用，是去除金屬表面氧化物并促進(jìn)焊料流動(dòng)。

然后，用貼片設(shè)備將晶粒精準(zhǔn)地放到基板上。

接下來(lái)，將晶粒和基板整體加熱（回流焊），實(shí)現(xiàn)凸點(diǎn)和焊盤之間的良好浸潤(rùn)結(jié)合（溫度和時(shí)長(zhǎng)需要嚴(yán)格控制）。

最后，清洗去除助焊劑，就OK了。

凸點(diǎn)數(shù)量較多、間距較小時(shí)，回流焊容易導(dǎo)致出現(xiàn)翹曲和精度問(wèn)題。于是，這個(gè)時(shí)候就可以用熱壓（TCB）工藝。

熱壓流程

前文提到，熱壓（TCB）工藝非常適合更多凸點(diǎn)、更小凸點(diǎn)間距的芯片。它利用高精度相機(jī)完成芯片間的對(duì)準(zhǔn)，并通過(guò)控制熱壓頭的壓力與位移接觸基座，施加壓力并加熱，實(shí)現(xiàn)連接。（后續(xù)我們講混合鍵合，會(huì)再提到熱壓。）

第三步，底部填充。

連接之后，大家會(huì)注意到，晶粒和基板之間的區(qū)域是空心結(jié)構(gòu)。（芯片底部的焊球分布區(qū)，也叫C4區(qū)域，Controlled Collapse Chip Connection，“可控塌陷芯片連接”。）

為了避免后續(xù)出現(xiàn)偏移、冷焊、橋接短路等質(zhì)量問(wèn)題，需要對(duì)空心部分進(jìn)行填充。

填充和傳統(tǒng)封裝的塑封有點(diǎn)像，使用的是填充膠（Underfill）。不僅能夠固定晶粒，防止移動(dòng)或脫落，還能夠吸收熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力，提高封裝的可靠性。

底部填充工藝一般分為三種：毛細(xì)填充（流動(dòng)型）、無(wú)流動(dòng)填充和模壓填充。

一般來(lái)說(shuō)，倒裝封裝都是以毛細(xì)填充為主。方法比較簡(jiǎn)單：清洗助焊劑之后，沿著芯片邊緣，注入底部填充膠。底部填充膠借助毛細(xì)作用，會(huì)被吸入芯片和基板的空隙內(nèi)，完成填充。

填充之后，還要進(jìn)行固化。固化的溫度和時(shí)間，取決于填充膠的種類和封裝要求。

以上，就是倒裝封裝（凸點(diǎn)工藝）的大致流程。

相比傳統(tǒng)封裝，倒裝封裝的優(yōu)勢(shì)非常明顯：

1、能夠?qū)崿F(xiàn)高密度的I/O電氣連接，有利于減小芯片的體積。

2、凸點(diǎn)連接，相比引線，可靠性也更強(qiáng)。

3、信號(hào)傳輸路徑大大縮短，減少寄生電容和電感，提高信號(hào)的完整性。

4、晶粒和基板直接接觸，熱量能夠快速傳導(dǎo)并散發(fā)出去。

凸點(diǎn)（bump）的制造過(guò)程與晶圓制造（前道）過(guò)程非常相似，本身又介于晶圓制造（前道）和封裝測(cè)試（后道）之間。所以，也被稱作“中道”工序。

后面會(huì)提到的TSV和RDL，也是中道工序。

最近這十幾年，先進(jìn)封裝高速發(fā)展，凸點(diǎn)工藝也一直在演進(jìn)。

從球柵陣列焊球（BGA Ball）到倒裝凸點(diǎn)（FC Bump），再到微凸點(diǎn)（μBump），凸點(diǎn)的尺寸在不斷縮小，技術(shù)難度也在不斷升級(jí)。

后續(xù)小棗君要提到的芯片堆疊、還有立體封裝（2.5D/3D），很多都是以凸點(diǎn)工藝為基礎(chǔ)。它的重要性不言而喻，請(qǐng)大家一定要注意。

3D封裝中的微凸點(diǎn)（μBump）

鍵合

插播一個(gè)概念——鍵合（Bonding）。

這種將晶圓和晶圓、晶圓和基板“粘貼”在一起的做法，有一個(gè)專門的名字，就是鍵合。

引線封裝，叫引線鍵合。倒裝封裝，叫倒裝鍵合。

除了這兩種鍵合之外，還有：載帶自動(dòng)鍵合、混合鍵合、臨時(shí)鍵合等。

載帶自動(dòng)鍵合（Tape Automated Bonding，TAB），是一種將芯片組裝到柔性載帶上的芯片封裝鍵合技術(shù)。

載帶自動(dòng)鍵合與引線鍵合非常類似，主要區(qū)別在于引線鍵合中，芯片的載體是引線框架或者PCB基板。而載帶自動(dòng)鍵合，用的是柔性載帶。

載帶自動(dòng)鍵合

載帶既作為芯片的支撐體，又作為芯片與外圍電路連接的引線。

載帶自動(dòng)鍵合包括以下5個(gè)步驟：

1、制作載帶：載帶其實(shí)就是銅箔材料。將銅箔貼合在聚酰亞胺膠帶上，經(jīng)過(guò)光刻和蝕刻，形成固定的、精細(xì)的導(dǎo)電圖形，并制作定位孔和引線窗口，就變成了載帶。

2、內(nèi)引線鍵合（ILB，Inner Lead Bonding）：將預(yù)先形成焊點(diǎn)的芯片精確定位后，采用熱壓或熱超聲方式同時(shí)將所有內(nèi)引線與芯片焊盤連接。

3、對(duì)準(zhǔn)和貼裝：將芯片貼裝在基板上。

4、外引線鍵合（OLB，Outer Lead Bonding）：將載帶與基板或PCB對(duì)準(zhǔn)，通常采用熱壓方式實(shí)現(xiàn)批量鍵合。

5、注塑保護(hù)：這個(gè)和引線鍵合流程差不多，就是形成保護(hù)層。

相比于引線鍵合，載帶自動(dòng)鍵合適合高密度、細(xì)間距的封裝要求，具有不錯(cuò)的電氣性能和散熱性能，適合LCD驅(qū)動(dòng)器等高密度引線連接場(chǎng)合。

在傳統(tǒng)、低成本應(yīng)用中，載帶自動(dòng)鍵合憑借工藝簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟的特點(diǎn)，仍有一定優(yōu)勢(shì)。但現(xiàn)在都是更高性能、更高密度封裝時(shí)代，載帶自動(dòng)鍵合在應(yīng)用和普及上，肯定還是不如倒裝鍵合。

混合鍵合、臨時(shí)鍵合，這兩個(gè)概念非常重要。后續(xù)講到立體封裝時(shí)，小棗君會(huì)詳細(xì)介紹。

CSP（芯片級(jí)封裝）

再插播一個(gè)概念——CSP（Chip Scale Package，芯片級(jí)封裝）。

CSP是芯片小型化封裝的一種方式。

CSP是BGA之后開始崛起的。主要原因，就是因?yàn)?a target="_blank">數(shù)碼產(chǎn)品小型化、便攜化，對(duì)芯片體積提出了要求。

CSP封裝，錫球間隔及直徑更小，芯片面積與封裝面積之比超過(guò) 1:1.14，已經(jīng)相當(dāng)接近 1:1 的理想情況，約為普通BGA封裝的1/3。

和BGA一樣，CSP也分為WB CSP和FC CSP。

通常來(lái)說(shuō)，F(xiàn)C CSP較多應(yīng)用于移動(dòng)設(shè)備（例如手機(jī)）的AP、基帶芯片。而FC BGA，較多應(yīng)用于PC、服務(wù)器的CPU、GPU等高性能芯片。