芯片封装技术的流程及其优势解析

如果大家手上有一颗芯片，要把这个芯片固定在电路板或其他基板上，实现芯片性能的正常输出，最常见的可以采用的方法有三种：

第一种是通过引线连接，采用导电性好的金丝将芯片管脚与电路相连接，称为wire bonding。 第二种是管脚贴合技术，将金丝转换成铜箔，铜箔与芯片管脚的凸点贴合，称为TAB。 第三种是倒装技术，是将芯片上导电的凸点与电路板上的凸点通过一定工艺连接起来，称为Flip chip。

由于半导体越来越集成化，体积越来越小，性能越来越高，于是倒焊技术越来越广泛的得到了应用。 倒装芯片工艺是指通过在芯片的I/0 焊盘上直接沉积，或者通过 RDL 布线后沉积凸块（包括锡铅球、无铅锡球、铜桂凸点及金凸点等)，然后将芯片翻转，进行加热，使熔融的焊料与基板或框架相结合，将芯片的 I/0 扇出成所需求的封装过程。倒装芯片封装产品示意图如图所示。

与传统的引线键合工艺相比，倒装芯片封装工艺具有如下优点。 （1）VO 密度高。 （2） 由于采用了凸点结构，互连长度大大缩短，互连线电阻、电感更小，封装的电性能得到极大的改善 （3） 芯片中产生的热量可通过焊料凸点直接传输到封装衬底上，因此芯片温度会降低。 倒装芯片包括许多不同的工艺方法。目前，业界倒装芯片的凸点技术主要有金凸点、锡凸点及铜柱凸点，对应的焊接工艺主要为超声波热压焊、回流焊及热压焊。由于技术的发展和产品的不同，底部填充工艺主要分为毛细底部填充、塑封底部填充、非导电型胶水（NCP）或胶膜 （NCF）底部填充。图所示为凸点示意图。

随着圆片 CMOS 工艺不断向 16nm、10nm、7nm 等高密度方向发展，对芯片V0的密度和性能要求越来越高，这都需要产品采用倒装工艺来满足芯片的需求。倒装芯片对高密度微凸点技术、小节距倒装芯片键合技术及底部填充技术等方面的封装工艺及可靠性的要求也越来越高。每种工艺方法都有不同之处，且应用范围也有所不同。例如，就电路板或基板类型的选择而言，无论它是有机材料、陶瓷材料还是柔性材料，都决定着组装材料（包括凸点类型、焊剂底部填充材料等）的选择，而且在一定程度上还决定着所需设备的选择。因此，未来倒装芯片的封装需要结合产品应用、芯片设计、封装设计、封装材料、封装设备及封装工艺来共同选择工艺组合，以找到最优的封装方案。 如今，倒装芯片技术已广泛应用于消费类电子领域，未来在物联网、汽车电子、大数据等方面的应用也会更广泛，倒装芯片封装被认为是推进低成本高密度便携式电子设备制造所必需的一项工艺。

倒装芯片主要通过四个步骤完成： 第一步：凸点底部金属化 (UBM=under bump metallization)

凸点金属化是为了将半导体中P-N结的性能引出，其中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。 UBM的沉积方法主要有： 溅射：用溅射的方法一层一层地在硅片上沉积薄膜，然后通过照相平版技术形成UBM图样，然后刻蚀掉不是图样的部分。 蒸镀：利用掩模，通过蒸镀的方法在硅片上一层一层地沉积。这种选择性的沉积用的掩模可用于对应的凸点的形成之中。 化学镀:采用化学镀的方法在Al焊盘上选择性地镀Ni。常常用锌酸盐工艺对Al表面进行处理。无需真空及图样刻蚀设备，低成本。 第二步：芯片凸点

这部分是形成凸点，可以看做给P-N结做电极，类似于给电池加工一个输出端。 常见的6种形成凸点形成办法: 蒸镀焊料凸点, 电镀焊料凸点, 印刷焊料凸点, 钉头焊料凸点 放球凸点 焊料转移凸点 以典型的电镀焊料凸点来看，其加工示意图如下：

完成后的凸点在扫描电子显微镜下观察，微观形态是一个体型均匀的金属球。

下图是凸点形成前后的对比，回流加热前为圆柱体，加热后金属材料融化，形成球形融化电极。

第三步：将已经凸点的晶片组装到基板／板卡上 在热压连接工艺中，芯片的凸点是通过加热、加压的方法连接到基板的焊盘上。 该工艺要求芯片或者基板上的凸点为金凸点，同时还要有一个可与凸点连接的表面，如金或铝。对于金凸点，一般连接温度在300℃左右，这样才能使材料充分软化，同时促进连接过程中的扩散作用。

第四步：使用非导电材料填充芯片底部孔隙 填充时，将倒装芯片与基板加热到70至75℃，利用装有填料的L形注射器，沿着芯片的边缘双向注射填料。 由于缝隙的毛细管的虹吸作用，填料被吸入，并向中心流动。 芯片边缘有阻挡物，以防止流出。有的使用基板倾斜的方法以利于流动。填充完毕后，在烘箱中分段升温，达到130 ℃左右的固化温度后，保持3到4小时即可达完全固化。 下面是填胶示意图：

填胶完成后的芯片和基板稳定的结合在一起，完成后的示意图：

小结 经过以上的四步工序，完成了芯片与基体的倒装连接，虽然介绍起来并不复杂，但要完整完成这几部工序依然是件系统的工程。倒装芯片结构从上至下依次为蓝宝石衬底、N型半导体层,发光层，P型半导体层和电极，与正装结构相比，该结构中PN结处产生的热量不经过衬底即可直接传导到热沉，因而散热性能良好，芯片发光效率和可靠性较高;倒装结构中，p电极和n电极均处于底面，避免了对出射光的遮挡，芯片出光效率较高;此外，倒装芯片电极之间距离较远，可减小电极金属迁移导致的短路风险。

审核编辑：黄飞