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(Flip-Chip)倒装焊芯片原理

来源:芯片解密-龙芯世纪   时间:2010-10-11   阅读:2173

  
  Flip chip又称倒装片,是在I/O pad上沉积锡铅球,然后将芯片翻转佳热利用熔融的锡铅球与陶瓷机板相结合此技术替换常规打线接合,逐渐成为未来的封装主流,当前主要应用于高时脉的CPU、GPU(Graphic Processor Unit)及Chipset 等产品 为主。与COB相比,该封装形式的芯片结构和I/O端(锡球)方向朝下,由于I/O引出端分布于整个芯片表面,故在封装密度和处理速度上Flip chip已达到顶峰,特别是它可以采用类似SMT 技术的手段来加工,因此是芯片封装技术及高密度安装的最终方向。
  Flip Chip既是一种芯片互连技术,又是一种理想的芯片粘接技术.早在30年前IBM公司已研发使用了这项技术。但直到近几年来,Flip-Chip已成为高端器件及高密度封装领域中经常采用的封装形式。今天,Flip-Chip封装技术的应用范围日益广泛,封装形式更趋多样化,对Flip-Chip封装技术的要求也随之提高。同时,Flip-Chip也向制造者提出了一系列新的严峻挑战,为这项复杂的技术提供封装,组装及测试的可靠支持。以往的一级封闭技术都是将芯片的有源区面朝上,背对基板和贴后键合,如引线健合和载带自动健全(TAB)。FC则将芯片有源区面对基板,通过芯片上呈阵列排列的焊料凸点实现芯片与衬底的互连.硅片直接以倒扣方式安装到PCB从硅片向四周引出I/O,互联的长度大大缩短,减小了RC延迟,有效地提高了电性能.显然,这种芯片互连方式能提供更高的I/O密度.倒装占有面积几乎与芯片大小一致.在所有表面安装技术中,倒装芯片可以达到最小、最薄的封装。
  倒装片连接有三种主要类型C4(Controlled Collapse Chip Connection)、DCA(Direct chip attach)和FCAA(Flip Chip Adhesive Attachement)。
  C4是类似超细间距BGA的一种形式与硅片连接的焊球阵列一般的间距为0.23、 0.254mm。焊球直径为0.102、0.127mm。焊球组份为97Pb/3Sn。这些焊球在硅片上可以呈完全分布或部分分布。
  由于陶瓷可以承受较高的回流温度,因此陶瓷被用来作为C4连接的基材,通常是在陶瓷的表面上预先分布有镀Au或Sn的连接盘,然后进行C4形式的倒装片连接。C4连接的优点在于:
  1)具有优良的电性能和热特性
  2)在中等焊球间距的情况下,I/O数可以很高3)不受焊盘尺寸的限制
  4)可以适于批量生产
  5)可大大减小尺寸和重量
  DCA和C4类似是一种超细间距连接。DCA的硅片和C4连接中的硅片结构相同,两者之间的唯一区别在于基材的选择。DCA采用的基材是典型的印制材料.DCA的焊球组份是97Pb/Sn,连接焊接盘上的焊料是共晶焊料(37Pb/63Sn)。对于DCA由于间距仅为0.203、0.254mm共晶焊料漏印到连接焊盘上相当困难,所以取代焊膏漏印这种方式,在组装前给连接焊盘顶镀上铅锡焊料,焊盘上的焊料体积要求十分严格,通常要比其它超细间距元件所用的焊料多。在连接焊盘上0.051、0.102mm厚的焊料由于是预镀的,一般略呈圆顶状,必须要在贴片前整平,否则会影响焊球和焊盘的可靠对位。
  FCAA连接存在多种形式,当前仍处于初期开发阶段。硅片与基材之间的连接不采用焊料,而是用胶来代替。这种连接中的硅片底部可以有焊球,也可以采用焊料凸点等结构。FCAA所用的胶包括各向同性和各向异性等多种类型,主要取决于实际应用中的连接状况,另外,基材的选用通常有陶瓷,印刷板材料和柔性电路电路板。倒装芯片技术是当今最先进的微电子 封装技术之一。它将电路组装密度提升到了一个新高度,随着21世纪电子产品体积的进一步缩小,倒装芯片的应用将会越来越广泛。
  Flip-Chip封装技术与传统的引线键合工艺相比具有许多明显的优点,包括,优越的电学及热学性能,高I/O引脚数,封装尺寸减小等。
  Flip-Chip封装技术的热学性能明显优越于常规使用的引线键合工艺。如今许多电子器件;ASIC,微处理器 ,SOC等封装耗散功率10-25W,甚至更大。而增强散热型引线键合的BGA器件的耗散功率仅5-10W。按照工作条件,散热要求(最大结温),环境温度及空气流量,封装参数(如使用外装热沉,封装及尺寸,基板层数,球引脚数)等,相比之下,Flip-Chip封装通常能产生25W耗散功率。
  Flip-Chip封装杰出的热学性能是由低热阻的散热盘及结构决定的。芯片产生的热量通过散热球脚,内部及外部的热沉实现热量耗散。散热盘与芯片面的紧密接触得到低的结温(θjc)。为减少散热盘与芯片间的热阻,在两者之间使用高导热胶体。使得封装内热量更容易耗散。为更进一步改进散热性能,外部热沉可直接安装在散热盘上,以获得封装低的结温(θjc)。
  Flip-Chip封装另一个重要优点是电学性能。引线键合工艺已成为高频及某些应用的瓶颈,使用Flip-Chip封装技术改进了电学性能。如今许多电子器件工作在高频,因此信号的完整性是一个重要因素。在过去,2-3GHZ是IC封装的频率上限,Flip-Chip封装根据使用的基板技术可高达10-40 GHZ 。