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在半導體技術的快速發展中，封裝技術作為連接芯片與外部世界的橋梁，其重要性不言而喻。

目前封裝技術主要使用以下三種：

1. 引線鍵合技術

通過采用導電性好的金絲引線將芯片管腳與電路相連接。

2. 載帶自動鍵合技術

通過將金絲轉換成銅箔，將銅箔與芯片管腳的凸點貼合。

3. 倒裝芯片技術

通過將芯片上導電的凸點與電路板上的凸點在一定工藝條件下連接起來。

由于半導體越來越集成化，體積越來越小，性能越來越高，而倒裝封裝技術以其獨特的優勢和廣泛的應用前景，成為當前半導體封裝領域的一顆璀璨明星。

一、倒裝芯片封裝技術發展簡述

倒裝芯片起源于20世紀60年代，由IBM率先研發出來。倒裝芯片封裝技術是指采用平面工藝在集成電路芯片的輸入/輸出端（I/O）端制作無鉛焊點，先將芯片上的焊點與基板上的焊盤進行對位、貼裝，然后使用焊料回流工藝在芯片和基板焊盤間形成焊球，最后在芯片與基板間的空隙中填充底部填充膠水，實現芯片與基板間的電、熱和機械連接。由于是將芯片功能區朝下以倒扣的方式背對著基板，通過焊料凸點與基板進行互聯，芯片放置方向與傳統封裝功能區朝上相反，故稱倒裝芯片。如下圖所示：

二、倒裝芯片封裝工藝介紹

倒裝芯片，英文全稱：Flip Chip（英文名稱直譯為“翻轉芯片”），也可簡稱為：FC，它是一種封裝工藝，也稱為芯片倒裝封裝技術，是一種將集成電路芯片倒裝在載板或基板上的封裝方式。其思想源自于50年代的熱電偶焊接技術，而真正被廣泛應用則是在90年代。

與傳統的引線鍵合工藝相比，倒裝芯片（Flip Chip）封裝工藝是將集成電路芯片的主動面（有電路圖案的一面）朝下，通過焊點直接連接到基板上，然后通過微小的焊點或導電膠水進行連接。這種封裝方式不僅結構緊湊，而且能夠實現高密度的輸入輸出（I/O）連接，是現代高性能半導體器件封裝的主流技術之一。

業內人士都知道：芯片封裝發展的第三階段（1990年代），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，屬于傳統封裝。 后來，芯片的體積越來越小 ，而單顆芯片內的焊盤數量越來越多（ 接近或超過1000個）。傳統的引線封裝，已經無法滿足要求。 于是，采用倒裝技術替換焊線的FC BGA封裝，就出現了現在的倒裝芯片（Flip Chip）封裝技術的。

三、倒裝芯片（Flip Chip）封裝工藝技術基礎知識

以下就是本章節要跟大家分享的關于倒裝芯片（Flip Chip）封裝工藝技術基礎知識主要內容，如有不當或是遺漏之處，還望及時指正：

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四、倒裝芯片（Flip Chip）封裝工藝技術工藝流程

1、凸點制作（Bumping）

倒裝芯片（Flip Chip）封裝包括熱超聲、回流焊和熱壓三種工藝，其凸點分別使用金球、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“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，是在錫凸點表面涂覆助焊劑，再通過熱回流加熱，進行焊接。這種方式也適合 I/O密度較小（ 凸點間距 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，直接加熱粘結。這種方式能夠實現高密度互聯，適用于I/O密度較大（ 凸點間距 40-10μm）的芯片。

金凸點的成本高。相比之下，銅柱凸點的電性能、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。

凸點下金屬化是為了將半導體中P-N結的性能引出，其中熱壓倒裝芯片（Flip Chip）連接最合適的凸點材料是金，凸點可以通過傳統的電解鍍金方法生成，或者采用釘頭凸點方法。

制作凸點的流程比較復雜。其實說白了，就是前面晶圓制造時的那套工藝，例如沉積、光刻、刻蝕等。

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

UBM的沉積，通常采用 濺射（ Sputtering）、 化學鍍（ Electroless）、 電鍍（ Electroplating）的方式實現。

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

大致的流程示例如下，在這里說明一下：比較特別的是，最后多了一個步驟——“回流 ”，把錫帽變成了子彈頭形狀。

回流形成凸點是指給P-N結做一個電極，類似于給電池加工一個輸出端。常見的凸點制造方法包括：蒸鍍、電鍍、印刷、釘頭、放球和轉移等。

2、 對準和貼裝

倒裝芯片（Flip Chip）組裝是指將已經凸點的晶片組裝到基板／板卡上，在熱壓連接工藝中，芯片的凸點是通過加熱、加壓的方法連接到基板的焊盤上。該工藝要求芯片或者基板上的凸點為金凸點，同時還要有一個可與凸點連接的表面，使材料充分軟化，同時促進連接過程中的擴散作用。

簡單來說，就是使用精密的貼裝設備，將晶粒上的凸點與基板上的焊盤進行精確對準，然后通過回流焊等工藝，實現凸點與焊盤的連接。

回流焊的大致過程如下：

先將晶粒（芯片）的凸點沾上助焊劑，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焊料流動。

然后，用貼片設備將晶粒精準地放到基板上。

接下來，將晶粒和基板整體加熱（回流焊），實現凸點和焊盤之間的良好浸潤結合（溫度和時長需要嚴格控制）。

最后，清洗去除助焊劑，就OK了。

凸點數量較多、間距較小時，回流焊容易導致出現翹曲和精度問題。于是，這個時候就可以用熱壓（TCB）工藝。

之前的文章里有講過：熱壓（TCB）工藝非常適合更多凸點、更小凸點間距的芯片。它利用高精度相機完成芯片間的對準，并通過控制熱壓頭的壓力與位移接觸基座，施加壓力并加熱，實現連接。（后續我們講混合鍵合，會再提到熱壓。）

3、底部填充

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

為了避免后續出現 偏移、冷焊、橋接短路等質量問題，需要對空心部分進行填充。

填充和傳統封裝的塑封有點像，使用的是填充膠（ Underfill ）。 不僅能夠固定晶粒，防止移動或脫落，還能夠吸收熱應力和機械應力，提高封裝的可靠性。

底部填充工藝是指先將倒裝芯片（Flip Chip）與基板加熱到70至75℃，然后使用非導電材料填充芯片底部孔隙。由于縫隙的毛細管的虹吸作用，填料被吸入，并向中心流動，芯片邊緣有阻擋物，以防止流出。填充完畢后，在烘箱中分段升溫，達到130 ℃左右的固化溫度后，保持一定時間后即可完全固化。

底部填充的應用是在倒裝芯片（Flip Chip）組裝之后，即倒裝芯片（Flip Chip）已經在基板上并且焊點已經進行了大規模回流。底部填充常用工藝包括：毛細底部填充 (CUF)、模壓底部填充 (MUF)和印刷底部填充三種工藝。

a. 毛細底部填充 (CUF)

底部填充物通過針頭或噴射器在基板組件上的倒裝芯片（Flip Chip）的一側（或兩側）輔助真空進行分配。由于毛細作用，這種底部填充物完全填充了芯片、焊點和基板之間的空間，然后通過固化底部填充膠將芯片和基板牢固地結合在一起。

一般來說，倒裝芯片（Flip Chip）封裝都是以毛細底部填充 (CUF)為主。方法比較簡單： 清洗助焊劑之后，沿著芯片邊緣，注入底部填充膠。底部填充 膠借助毛細作用，會被吸入芯片和基板的空隙內，完成填充。

b. 模壓底部填充 (MUF)

修改后的 EMC 是對芯片進行轉移成型并填充芯片、焊點和倒裝芯片（Flip Chip）組件基板之間的間隙。芯片的灌封膠和底部填充膠同時形成，大幅提高作業效率

c. 印刷底部填充

為了提高CUF的效率并避免MUF的缺點，市場上出現一種全新的組裝后底部填充的方法，該方法使用模板在封裝基板組件上印刷倒裝芯片（Flip Chip）的底部填充材料，工藝流程如下圖所示：

填充之后，還要進行固化。 固化的溫度和時間，取決于填充膠的種類和封裝要求。 講到這里，倒裝芯片（Flip Chip）封裝（凸點工藝）的大致流程基本就是這樣的了。

五、倒裝芯片（Flip Chip）封裝工藝技術的優勢與局限性

在倒裝芯片（Flip Chip）封裝中，硅芯片使用焊接凸塊而非焊線直接固定在基材上，提供密集的互連，具有很高的電氣性能和熱性能。倒裝芯片（Flip Chip）互連實現了終極的微型化，減少了封裝寄生效應，并且實現了其他傳統封裝方法無法實現的芯片功率分配和地線分配新模式。但是同時也還有很多方面的問題和局限性待解決。

1、優勢

a. 高封裝密度

倒裝芯片（Flip Chip）封裝工藝能夠實現高密度的I/O連接，使得芯片與基板之間的連接距離大大縮短。這不僅減小了封裝的體積，還提高了信號的傳輸速度和可靠性。

b. 優異的電性能

由于芯片直接與基板連接，信號傳輸路徑大大縮短，減少了電阻、電感等不良影響，從而提高了芯片的電性能。此外，倒裝芯片（Flip Chip）封裝還能夠減少寄生電容和電感，提高信號的完整性。

c. 良好的散熱性能

芯片直接與基板接觸，使得熱量能夠快速傳導到基板上，并通過基板上的散熱結構散發出去。這種散熱方式比傳統的引線鍵合封裝更為高效，有助于提高芯片的可靠性和壽命。

d. 簡化封裝流程

倒裝芯片（Flip Chip）封裝工藝省去了傳統封裝中的引線鍵合步驟，簡化了封裝流程，降低了封裝成本。同時，由于封裝體積小、重量輕，也降低了物流運輸和存儲成本。

2、局限性

a. 倒裝芯片（Flip Chip）需要在晶圓上制造凸點，工藝相對復雜。

b. 如果芯片不是專門倒裝芯片（Flip Chip）設計的，還需要設計和加工再分布層。

c. 倒裝芯片（Flip Chip）更易受到溫度變化的影響需要更多地考慮芯片和基板的CTE良好匹配，對熱分析有更高的要求。

六、倒裝芯片（Flip Chip）封裝工藝技術的應用

倒裝芯片（Flip Chip）封裝工藝以其獨特的優勢，在半導體封裝領域得到了廣泛的應用。以下是幾個典型的應用領域：

1、高性能處理器

在高性能處理器中，倒裝芯片（Flip Chip）封裝工藝能夠實現高密度的I/O連接，提高信號傳輸速度和可靠性。例如，Intel和AMD等處理器制造商都采用了倒裝芯片（Flip Chip）封裝工藝來封裝其高性能處理器。

2、存儲器芯片

存儲器芯片對封裝密度和散熱性能要求較高。倒裝芯片（Flip Chip）封裝工藝能夠滿足這些要求，使得存儲器芯片的體積更小、性能更高。例如，三星、SK海力士等存儲器芯片制造商都采用了倒裝芯片（Flip Chip）封裝工藝來封裝其存儲器芯片。

3、射頻芯片

射頻芯片對信號的傳輸性能和可靠性要求較高。倒裝芯片（Flip Chip）封裝工藝能夠減少信號傳輸過程中的損耗和干擾，提高射頻芯片的性能。例如，高通、聯發科等射頻芯片制造商都采用了倒裝芯片（Flip Chip）封裝工藝來封裝其射頻芯片。

4、傳感器芯片

傳感器芯片對封裝體積和散熱性能要求較高。倒裝芯片（Flip Chip）封裝工藝能夠滿足這些要求，使得傳感器芯片的體積更小、性能更高。例如，意法半導體、博世等傳感器芯片制造商都采用了倒裝芯片（Flip Chip）封裝工藝來封裝其傳感器芯片。

七、倒裝芯片（Flip Chip）封裝工藝技術的挑戰與解決方案

盡管倒裝芯片（Flip Chip）封裝工藝具有諸多優勢，但在實際應用過程中仍面臨一些挑戰。以下是一些典型的挑戰及相應的解決方案：

1、凸點制作難度

凸點制作是倒裝芯片（Flip Chip）封裝工藝中的關鍵步驟之一，但其制作難度較大。凸點的大小、形狀和分布密度對封裝質量和可靠性有著重要影響。為了解決這一問題，制造商需要不斷優化凸點制作工藝和設備，提高凸點制作的精度和穩定性。

2、對準與貼裝精度

芯片與基板之間的對準與貼裝精度對封裝質量和可靠性至關重要。為了實現高精度的對準與貼裝，制造商需要采用先進的對準和貼裝設備，并對設備進行定期校準和維護。

3、底部填充膠的選擇與固化

底部填充膠的選擇與固化對封裝質量和可靠性有著重要影響。為了選擇合適的底部填充膠并確保其固化質量，制造商需要充分了解底部填充膠的性能和特點，并根據封裝要求進行選擇和測試。

八、倒裝芯片（Flip Chip）封裝工藝技術的未來發展趨勢

隨著半導體技術的不斷發展和應用領域的不斷擴展，倒裝芯片（Flip Chip）封裝工藝將迎來更加廣闊的發展前景。以下是倒裝芯片（Flip Chip）封裝工藝的一些未來發展趨勢：

1、微型化與高密度化

隨著半導體器件的不斷微型化和高密度化，倒裝芯片（Flip Chip）封裝工藝將朝著更高密度的I/O連接和更小的封裝體積方向發展。這將使得半導體器件的性能更高、體積更小、重量更輕。

2、智能化與自動化

隨著智能制造和自動化技術的發展，倒裝芯片（Flip Chip）封裝工藝將朝著更加智能化和自動化的方向發展。通過引入先進的自動化設備和智能控制系統，可以實現更高效、更精確的封裝過程。

3、環保與可持續性

隨著環保意識的不斷提高和可持續發展戰略的推進，倒裝芯片（Flip Chip）封裝工藝將朝著更加環保和可持續的方向發展。制造商將采用更加環保的封裝材料和工藝，減少對環境的影響。

4、多元化應用

隨著半導體技術的不斷發展和應用領域的不斷擴展，倒裝芯片（Flip Chip）封裝工藝將在更多領域得到應用。例如，在5G通信、物聯網、人工智能等新興領域，倒裝芯片（Flip Chip）封裝工藝將發揮重要作用。

九、總結一下

倒裝芯片（Flip Chip）技術經過了很長的一段時間發展，從三凸點倒裝芯片（Flip Chip）到萬凸點倒裝芯片（Flip Chip），現在已經達到10萬凸點倒裝芯片（Flip Chip），同時倒裝芯片（Flip Chip）的間距也小至20μm。但是，倒裝芯片（Flip Chip）技術依然面臨著激烈競爭，它的部分市場份額正逐漸被扇出型晶圓/面板級封裝（簡稱 FOWLP）技術所奪走，尤其是PoP封裝技術。由于成本更低、性能更高、尺寸也更小等，現在愛瘋手機開始采用PoP封裝技術制造，同時，越來越多的智能手機公司和組件公司也在效仿愛瘋手機，這意味著FOWLP不僅僅用于封裝基帶、RF（射頻）開關/收發器、PMIC（電源管理集成電路）、音頻編解碼器、MCU（微控制單元）、RF雷達、連接IC等，也可用于封裝AP等高性能大型（>120mm2）SoC。對于倒裝芯片（Flip Chip）封裝技術來說，這無疑形成一個巨大挑戰。

但是，倒裝芯片（Flip Chip）封裝工藝作為一種先進的半導體封裝技術，以其獨特的優勢和廣泛的應用前景，成為當前半導體封裝領域的一顆璀璨明星。通過不斷優化工藝和設備、解決挑戰和問題，倒裝芯片（Flip Chip）封裝工藝將朝著更高密度、更高性能、更環保和可持續的方向發展。未來，倒裝芯片（Flip Chip）封裝工藝將在更多領域得到應用，為半導體產業的發展注入新的活力。

而伴隨著科技的不斷發展，倒裝芯片（Flip Chip）封裝技術也在不斷進步和創新。未來，隨著封裝技術的進一步提高和應用需求的進一步提升，倒裝芯片（Flip Chip）封裝技術將在更多的領域得到應用，為推動電子信息產業的發展做出更大的貢獻。

總的來說，倒裝芯片（Flip Chip）封裝工藝是一種高效、高性能的封裝技術，它將繼續在電子技術領域發揮重要的作用。雖然它面臨著一些挑戰，但是通過創新和研發，我們有理由相信，倒裝芯片（Flip Chip）封裝技術將有更廣闊的應用前景。

參考文獻

1. 《 一文讀懂芯片生產流程》，Eleanor羊毛衫；

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3. 《 摩爾定律重要方向，先進封裝大有可為》，華福證券 ；

4. 《 混合鍵合，會取代TCB嗎？》，半導體行業觀察；

5. 《 技術發展引領產業變革，向高密度封裝時代邁進》，華金證券；

6. 《 先進封裝高密度互聯推動鍵合技術發展，國產設備持續突破 》，東吳證券；

7. 《 算力時代來臨，Chiplet 先進封裝大放異彩》，民生證券；

8. 《 先進封裝設備深度報告》，華西證券；

9. 維基百科、百度百科、各廠商官網。

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