一、半导体封装技术简介
从事半导体行业,尤其是半导体封装行业的人,总绕不开几种封装工艺,那就是芯片粘接、引线键合、倒装连接技术。
尤其以引线键合(Wire Bonding)及倒装连接(Flip Chip Bonding)最为常见,因为载带连接技术(TAB)有一定的局限性,封装上逐渐淘汰了这种技术。
倒装芯片技术是通过芯片上的凸点直接将元器件朝下互连到基板、载体或者电路板上。引线键合的连接方式是将芯片的正面朝上,通过引线(通常是金线)将芯片与线路板连接。
引线键合、载带连接、倒装连接各有特点。其中倒装连接以结构紧凑,可靠性高在封装行业应用越来越广泛。
二、什么是倒装芯片技术?
倒装芯片技术起源于IBM,IBM公司在1960年研制开发出在芯片上制作凸点的倒装芯片焊接工艺。以95Pb5Sn凸点包围着电镀NiAu的凸球。后来制作PbSn凸点,使用可控塌焊连接(Controlled collapse Component Connection, 简称C4技术),该技术最初为自己的大型计算机主机所开发的一种高可靠的封装技术。C4芯片具有优良的电学、热学性能,封装疲劳寿命至少提高10倍以上。
自从IBM研制并成功应用C4技术后,随后的技术发展中,一些半导体公司又对C4技术进行了优化升级,其中包括Fairchild公司研制了Al凸点,Amelco公司研制了Au凸点技术。
半导体封装技术也从QFP(Quad Flat Package方形扁平式)封装工艺发展到BGA(Ball Grid Array球状引脚栅格阵列)封装,到最新的CSP(Chip Scale Package晶圆级)封装。
下图是传统的QFP、BGA等工艺封装后的器件。
伴随半导体芯片体积的逐渐减小,对芯片封装技术要求越来越高,封装技术向着晶圆及封装发展。
在对传统芯片进行封装时,通常是将晶圆进行切割成Die,再对每一个Die进行封装,伴随封装技术的成熟,在最新的半导体封装中,将封装工艺与半导体工艺进行融合,在晶圆上对芯片进行统一封装,再切割形成可靠性更高的独立芯片。
随着倒装技术的成熟应用,目前全世界的倒装芯片消耗量超过年60万片,且以约50%的速度增长,3%的晶圆封装用于倒装芯片凸点技术,几年后可望超过20%。
倒装芯片元件主要用于半导体设备,有些元件,如无源滤波器,探测天线,存储器装备也开始使用倒装芯片技术,由于芯片直接通过凸点直接连接基板和载体上。因此,更确切的说,倒装芯片也叫DCA(Direct Chip Attach),下图中CPU及内存条等电子产品是最常见的应用倒装芯片技术的器件。
下图是内存条中存储芯片通过倒装技术与线路板连接,芯片与电路板中间通过填充胶固定。
在典型的倒装芯片封装中, 芯片通过3到5个密耳(1mil=25um)厚的焊料凸点连接到芯片载体上,底部填充材料用来保护焊料凸点。下图是一张典型的倒装连接图,芯片与下方的基板采用倒装方式连接: