文章來源：學(xué)習(xí)那些事

原文作者：前路漫漫

本文介紹了倒裝芯片鍵合技術(shù)的特點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)過程以及詳細(xì)工藝等。

倒裝芯片概述

倒裝芯片鍵合（FCB）與倒裝芯片技術(shù)（Flip Chip）本質(zhì)上均指芯片以面朝下方式，通過凸點(diǎn)陣列結(jié)構(gòu)與基板焊區(qū)直接互連的工藝。將芯片采用引線鍵合的方式與基板互連時(shí)，芯片的面是朝上的，這通常認(rèn)為是正裝形式。與引線鍵合（WB）、載帶自動(dòng)鍵合（TAB）形成鮮明差異：其省略了傳統(tǒng)互連線，大幅降低互連電容與電感，尤其契合高頻高速電子產(chǎn)品需求；同時(shí)憑借更小的基板占用面積，顯著提升芯片安裝密度，成為大規(guī)模集成電路（LSIC）、超大規(guī)模集成電路（VLSIC）及專用集成電路（ASIC）的優(yōu)選方案。 FCB技術(shù)的突出優(yōu)勢(shì)在于芯片安裝與互連同步完成，極大簡化工藝流程，適配現(xiàn)代化SMT產(chǎn)線的大規(guī)模生產(chǎn)需求。相較于正裝芯片（采用引線鍵合時(shí)芯片面朝上），倒裝芯片以“面朝下”的倒裝形式實(shí)現(xiàn)互連，在尺寸、可靠性、成本及柔性等維度展現(xiàn)顯著優(yōu)勢(shì)。FCB技術(shù)芯片的安裝、互連是同時(shí)完成的，這就大幅度簡化了安裝的互連工藝，快速、省時(shí)，適于使用現(xiàn)代化的SMT進(jìn)行工業(yè)化大批量生產(chǎn)。

FCB也有不足之處，如芯片面朝下安裝互連對(duì)工藝操作帶來了一定的難度，焊點(diǎn)不能直觀檢查（只能使用紅外線和X射線檢查）。另外，芯片焊區(qū)上一般要制作凸點(diǎn)，增加了芯片的制作工藝流程和成本。同時(shí)由于互連材料間熱膨脹系數(shù)所導(dǎo)致的熱應(yīng)力問題目前也未能解決。但隨著應(yīng)用的日益廣泛，工藝技術(shù)和可靠性研究的不斷深入，F(xiàn)CB存在的問題正逐一得到解決倒裝芯片技術(shù)作為一種晶圓級(jí)面陣列封裝工藝，其芯片的I/O接口通過面陣列凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，具備極高的封裝密度。這種面陣列封裝技術(shù)堪稱SMT技術(shù)之后封裝領(lǐng)域的又一重大革新，有力推動(dòng)了高性能移動(dòng)終端及個(gè)人電子產(chǎn)品的大規(guī)模普及。

FCB目前仍存在以下不足之處：

1.工藝操作與檢測(cè)難度高：芯片面朝下倒裝的安裝方式對(duì)操作精度要求嚴(yán)苛，需借助高精度設(shè)備完成微米級(jí)對(duì)準(zhǔn)；焊點(diǎn)因被芯片覆蓋無法直接目視檢測(cè)，依賴紅外線或X射線等非接觸手段，檢測(cè)成本高且效率受限。

2.制造成本增加：芯片焊區(qū)需預(yù)先制作凸點(diǎn)（如金凸點(diǎn)、銅凸點(diǎn)），額外引入光刻、電鍍等多道工藝，顯著延長芯片制造周期并推高生產(chǎn)成本。

3.熱應(yīng)力問題突出：芯片、凸點(diǎn)材料與基板間熱膨脹系數(shù)（CTE）失配引發(fā)顯著熱應(yīng)力，尤其在寬禁帶半導(dǎo)體器件200℃+的高溫工況下，焊點(diǎn)易因疲勞開裂，導(dǎo)致長期可靠性下降，目前尚未形成徹底解決方案。

伴隨FCB技術(shù)在消費(fèi)電子、通信等領(lǐng)域的滲透率提升，圍繞工藝優(yōu)化與可靠性強(qiáng)化的研究持續(xù)推進(jìn)。近年來，新型檢測(cè)技術(shù)、材料創(chuàng)新及工藝改進(jìn)方案的涌現(xiàn)，正逐步突破上述技術(shù)瓶頸，推動(dòng)FCB向更高成熟度發(fā)展。

倒裝芯片封裝結(jié)構(gòu)示意圖

技術(shù)特性解析

微型化優(yōu)勢(shì)：IC引腳尺寸顯著縮小，僅為傳統(tǒng)扁平封裝的5%，有效降低封裝體積與重量。

性能優(yōu)化：短互連路徑降低電感、電阻與電容效應(yīng)，減少信號(hào)延遲，提升高頻性能；芯片背面散熱通道設(shè)計(jì)增強(qiáng)熱管理能力。

功能集成升級(jí)：面陣列布局大幅提升I/O端口數(shù)量，支持信號(hào)、功率及電源的高密度互連，單芯片凸點(diǎn)可達(dá)400個(gè)。

可靠性保障：大尺寸芯片通過環(huán)氧樹脂底部填充工藝加固，互連引腳數(shù)減少約66%。

高效散熱：無塑封結(jié)構(gòu)使芯片背面可直接進(jìn)行冷卻處理。

成本優(yōu)勢(shì)：晶圓級(jí)凸點(diǎn)批量制備技術(shù)顯著壓縮生產(chǎn)成本。

工藝兼容性：與表面貼裝技術(shù)無縫銜接，可同步完成芯片貼裝與電氣連接。

截至目前倒裝芯片已改善了部分之前存在的難題：

裸芯片測(cè)試：隨著測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，如基于邊界掃描技術(shù)、內(nèi)建自測(cè)試技術(shù)等的不斷改進(jìn)和完善，裸芯片測(cè)試的覆蓋率和準(zhǔn)確性有所提高，測(cè)試難度有所降低。

凸點(diǎn)芯片適應(yīng)性：材料科學(xué)的進(jìn)步以及工藝優(yōu)化，使得凸點(diǎn)芯片在不同類型的芯片和基板上的適應(yīng)性有所增強(qiáng)，可適用的場(chǎng)景有所增加。

組裝精度：高精度的對(duì)準(zhǔn)設(shè)備和先進(jìn)的視覺識(shí)別系統(tǒng)等技術(shù)不斷發(fā)展，倒裝芯片組裝精度得到了顯著提升，能夠滿足更高要求的生產(chǎn)需求。

但仍存在部分亟待解決的難題：

對(duì)PCB技術(shù)的要求：盡管PCB技術(shù)在不斷進(jìn)步，但隨著倒裝芯片引腳間距持續(xù)縮小和引腳數(shù)增多，對(duì)PCB的制造精度、布線密度、層間對(duì)準(zhǔn)等方面的要求也在同步提高，仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。例如，在制造高精度PCB時(shí)，需要更先進(jìn)的光刻技術(shù)、蝕刻工藝等來確保線路的精度和可靠性。

焊點(diǎn)檢測(cè)：目前仍然依賴X射線檢測(cè)設(shè)備來檢測(cè)不可見的焊點(diǎn)，雖然設(shè)備的性能在不斷提升，但這種檢測(cè)方法成本較高、檢測(cè)速度相對(duì)較慢，且對(duì)于一些微小的焊點(diǎn)缺陷可能存在檢測(cè)不出來的情況。

底部填充固化時(shí)間：底部填充工藝中，固化時(shí)間仍然是一個(gè)關(guān)鍵問題。為了保證填充效果和封裝質(zhì)量，需要嚴(yán)格控制固化時(shí)間和溫度等參數(shù)，這在一定程度上影響了生產(chǎn)效率，尤其是對(duì)于大規(guī)模生產(chǎn)來說，如何在保證質(zhì)量的前提下縮短固化時(shí)間仍是需要解決的問題。

維修困難：由于倒裝芯片封裝后芯片與基板之間是直接連接，且結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，一旦出現(xiàn)問題，維修或更換芯片的難度依然很大，成本也很高，在一些情況下甚至難以實(shí)現(xiàn)維修。

實(shí)現(xiàn)過程

1.芯片凸點(diǎn)制備技術(shù)

芯片凸點(diǎn)除實(shí)現(xiàn)芯片與基板電氣連接外，還具備多重功能：在芯片與載帶間構(gòu)建物理間隔，規(guī)避引線短路風(fēng)險(xiǎn)；覆蓋芯片鋁（Al）焊盤，隔絕外界腐蝕與污染；作為鍵合過程中可變形的應(yīng)力緩沖結(jié)構(gòu)。凸點(diǎn)構(gòu)造如下圖所示：

倒裝芯片凸點(diǎn)互連結(jié)構(gòu)示意圖

其制備需先在芯片I/O金屬化層上沉積凸點(diǎn)下金屬層（UBM），典型結(jié)構(gòu)由三層構(gòu)成：

1）黏附層：需與鋁、硅基底及鈍化層強(qiáng)粘附，確保歐姆接觸并匹配熱膨脹系數(shù)，常用材料包括Cr、Ti、V、TiW等；

2）擴(kuò)散阻擋層：旨在阻斷釬料與金（或鋁）、硅材料間的互擴(kuò)散，Ni、Cu、Pd、Pt等金屬為常見選擇；

3）浸潤層：要求與凸點(diǎn)材料良好浸潤，避免生成有害金屬間化合物，并保護(hù)下層金屬抗氧化，通常采用超薄Au膜或合金層。

因單一材料難以同時(shí)滿足三層功能需求，UBM普遍采用多層金屬復(fù)合結(jié)構(gòu)。凸點(diǎn)材料則依應(yīng)用場(chǎng)景選用不同軟釬料體系。

2. 基板金屬焊區(qū)構(gòu)建

實(shí)現(xiàn)倒裝芯片（FC）與基板可靠互連的核心，在于基板焊區(qū)需與芯片凸點(diǎn)精準(zhǔn)對(duì)位，并具備優(yōu)異的壓焊或釬焊兼容性。適配FCB的基板類型涵蓋陶瓷、硅基片及環(huán)氧樹脂基印制電路板（PCB）。基板金屬層材料包括Ag、Pd、Au、Cu（厚膜工藝）及Au、Ni、Cu（薄膜工藝）。

薄膜陶瓷基板的金屬化通過“蒸發(fā)/濺射—光刻—電鍍”工藝完成，可實(shí)現(xiàn)10μm級(jí)線寬圖形；而厚膜工藝僅適用于凸點(diǎn)尺寸及間距較大的場(chǎng)景。為兼容全類型凸點(diǎn)芯片，常采用厚膜/薄膜混合布線，并在基板頂層部署薄膜金屬化工藝。

傳統(tǒng)PCB金屬化多針對(duì)表面組裝器件（SMD），線寬與間距達(dá)數(shù)百微米。伴隨PCB布線密度與SMD集成度提升，多層PCB在材料、設(shè)計(jì)及制造技術(shù)上持續(xù)革新，同步推動(dòng)FCB凸點(diǎn)芯片在PCB應(yīng)用中的動(dòng)態(tài)力學(xué)分析精度升級(jí)。

倒裝芯片互連工藝技術(shù)解析

倒裝焊接主流技術(shù)路徑包括：熱壓倒裝焊、再流倒裝焊及熱超聲倒裝焊三類工藝。

熱壓倒裝焊：通過加熱與壓力使凸點(diǎn)與焊區(qū)直接鍵合；

再流倒裝焊：利用釬料熔點(diǎn)特性，經(jīng)加熱熔化實(shí)現(xiàn)互連；

熱超聲倒裝焊：結(jié)合熱能、壓力與超聲振動(dòng)促進(jìn)界面原子擴(kuò)散。

各工藝在鍵合效率、可靠性及適用材料上存在差異，需依芯片特性與應(yīng)用場(chǎng)景優(yōu)化選擇。

熱壓熱聲倒裝焊是一種用于硬凸點(diǎn)倒裝焊的技術(shù)，可通過倒裝焊機(jī)完成對(duì)金凸點(diǎn)、鎳/金凸點(diǎn)、銅凸點(diǎn)等硬凸點(diǎn)的焊接。以下是其詳細(xì)介紹：

1.熱壓倒裝焊

熱壓倒裝焊依托高精度倒裝焊接設(shè)備，該系統(tǒng)集成光學(xué)攝像對(duì)位、撿拾熱壓超聲焊頭、精確定位承片臺(tái)及實(shí)時(shí)監(jiān)控顯示屏四大核心模塊。操作時(shí)，先將FCB基板固定于承片臺(tái)，焊頭拾取帶有金凸點(diǎn)、鎳/金凸點(diǎn)或銅凸點(diǎn)的芯片，使其面朝下對(duì)準(zhǔn)基板。雙路光學(xué)系統(tǒng)同步捕捉芯片凸點(diǎn)陣列與基板焊區(qū)影像，經(jīng)亞微米級(jí)校準(zhǔn)后，加熱超聲復(fù)合焊頭與半溫承片臺(tái)協(xié)同作用，通過精準(zhǔn)調(diào)控溫度、壓力及超聲參數(shù)（依凸點(diǎn)材質(zhì)與尺寸動(dòng)態(tài)調(diào)整），在設(shè)定時(shí)間內(nèi)完成全凸點(diǎn)冶金鍵合。需強(qiáng)調(diào)，該工藝對(duì)芯片-基板平行度要求嚴(yán)苛，偏差超5μm即可能引發(fā)凸點(diǎn)變形不均，導(dǎo)致焊點(diǎn)抗拉強(qiáng)度離散，影響互連可靠性。

2.熱超聲倒裝焊

源于引線鍵合的熱超聲倒裝焊，以技術(shù)簡易、焊接高效及無鉛環(huán)保特性，成為FCB領(lǐng)域的潛力工藝。其流程涵蓋三階段：

1).凸點(diǎn)制備：于晶圓完成IC制程后，經(jīng)引線鍵合設(shè)備在I/O端口植入微金球或銅柱凸點(diǎn)；

2).基板預(yù)處理：選用陶瓷/鋁基材料制作適配基板，表面鍍覆特殊金屬焊盤（如Ni/Au層）提升熱可靠性；

3).倒裝焊接：借專用焊機(jī)實(shí)現(xiàn)芯片與基板熱壓超聲互連。

盡管該技術(shù)已驗(yàn)證工業(yè)可行性，仍面臨多重挑戰(zhàn)：壓力波動(dòng)導(dǎo)致焊點(diǎn)強(qiáng)度不穩(wěn)、超聲振動(dòng)易引發(fā)芯片偏移、焊頭拾取精度不足及熱穩(wěn)定性欠佳等問題，尤其在高I/O密度場(chǎng)景下，端口數(shù)量受限與間距瓶頸凸顯。未來需在工藝參數(shù)協(xié)同控制、設(shè)備精度升級(jí)及材料界面優(yōu)化等方向突破，以適配先進(jìn)封裝對(duì)高密度、高可靠互連的需求。

倒裝芯片熱壓鍵合原理

3.再流倒裝焊

對(duì)于具備釬料凸點(diǎn)的倒裝芯片，再流焊接是實(shí)現(xiàn)其與基板焊盤互連的主流工藝，其中典型技術(shù)為可控塌陷芯片互連（Controlled Collapse Chip Connection，簡稱C4)。如下圖所示

C4倒裝焊

該工藝亦包括在基板金屬焊盤預(yù)涂低熔點(diǎn)釬料膏的方案，將芯片與焊盤精準(zhǔn)對(duì)位后執(zhí)行低溫回流，此過程中芯片的高溫凸點(diǎn)保持固態(tài)。

回流焊接時(shí)，芯片呈現(xiàn)獨(dú)特的“自對(duì)中”效應(yīng)。其原理基于液態(tài)釬料的表面張力特性：當(dāng)釬料凸點(diǎn)與基板焊盤的潤濕面存在偏移時(shí)，表面張力失衡產(chǎn)生的合力將驅(qū)動(dòng)芯片自動(dòng)調(diào)整位置，直至兩表面中心重合。這一特性顯著降低了鍵合過程對(duì)初始對(duì)位精度的要求——實(shí)際操作中，僅需確保凸點(diǎn)與焊盤接觸，經(jīng)回流即可實(shí)現(xiàn)芯片與基板的精準(zhǔn)自校準(zhǔn)。該機(jī)制有效簡化了倒裝芯片的裝配流程，成為高密度封裝領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)支撐。

4.各向同性導(dǎo)電膠倒裝互連技術(shù)

各向同性導(dǎo)電膠（ICA）倒裝互連通過導(dǎo)電膠實(shí)現(xiàn)芯片凸點(diǎn)與基板焊盤的電氣連接。其核心材料由環(huán)氧樹脂基體與導(dǎo)電粉末復(fù)合而成，常見導(dǎo)電填料包括銀粉、銅粉等。工藝中可依據(jù)需求選擇多元固化方式：熱固化（80-150℃）通過加熱激活交聯(lián)反應(yīng)；光固化借助紫外光引發(fā)自由基聚合；微波固化則利用高頻電磁波實(shí)現(xiàn)快速內(nèi)部加熱。該技術(shù)與傳統(tǒng)倒裝焊存在本質(zhì)差異：ICA固化后憑借黏結(jié)力構(gòu)建機(jī)械接觸式連接，而非冶金焊接。工藝流程涵蓋膠層涂覆、芯片貼裝、固化成型三大環(huán)節(jié)，相較傳統(tǒng)工藝具備顯著成本優(yōu)勢(shì)——無需高精度焊接設(shè)備，且120℃以下的低溫固化特性適配熱敏材料。此技術(shù)在智能卡、醫(yī)療傳感器等對(duì)成本敏感的領(lǐng)域持續(xù)占據(jù)市場(chǎng)份額。

5.各向異性導(dǎo)電膠倒裝互連技術(shù)

各向異性導(dǎo)電膠（ACA）及導(dǎo)電膠膜（ACF）體系由高分子聚合物（環(huán)氧樹脂、聚酰亞胺等）與離散分布的球形導(dǎo)電顆粒構(gòu)成。其中，ACF薄膜形態(tài)因預(yù)成型、易操作特性，成為高密度互連的主流選擇。互連機(jī)制基于壓力誘導(dǎo)的導(dǎo)電通路形成：芯片與基板間的ACA經(jīng)熱壓處理（典型參數(shù)：150-200℃、5-10MPa），受壓導(dǎo)電粒子（粒徑約5-10μm）在Z軸方向發(fā)生塑性變形，貫通上下凸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)垂直導(dǎo)電；而X-Y平面因粒子間距保持絕緣，從而達(dá)成各向異性導(dǎo)電。該技術(shù)憑借≤50μm的超細(xì)間距能力，廣泛應(yīng)用于手機(jī)顯示驅(qū)動(dòng)芯片、柔性電路板封裝等場(chǎng)景。

6.芯片直接安裝（DCA）工藝

DCA作為類C4倒裝技術(shù)，專注于超精細(xì)間距（<1mm）芯片的焊接需求。其核心特征體現(xiàn)在材料與工藝適配：芯片側(cè)采用高鉛焊球（97Pb-3%Sn），而PCB基板焊盤預(yù)鍍共晶釬料（37Pb-63%Sn）。鑒于焊球尺寸（厚度約30-50μm）與間距精度要求，傳統(tǒng)錫膏印刷工藝失效，需采用電鍍預(yù)鍍與焊球頂端平整化處理。??

當(dāng)前DCA技術(shù)雖處于產(chǎn)業(yè)化深化階段，但已在特定領(lǐng)域形成突破：電路模擬芯片與無源集成芯片的批量應(yīng)用驗(yàn)證了其工藝可行性。依托現(xiàn)有SMT設(shè)備兼容性，DCA在便攜式電子產(chǎn)品領(lǐng)域展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)——通過簡化封裝流程，有效降低整機(jī)厚度與重量，契合穿戴設(shè)備、超薄手機(jī)等產(chǎn)品的微型化趨勢(shì)。

后三種工藝雖不屬于主流工藝但也有各自優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用：ICA以低成本與簡易性立足中低端應(yīng)用；ACA憑借各向異性導(dǎo)電特性主導(dǎo)高密度封裝；DCA則通過工藝創(chuàng)新填補(bǔ)超精細(xì)間距領(lǐng)域的技術(shù)空白，共同構(gòu)成倒裝芯片互連的多元化解決方案。

底部填充與固化

增強(qiáng)倒裝芯片可靠性

倒裝芯片互連完成后，凸點(diǎn)陣列作為主要連接媒介，其有效支撐面積遠(yuǎn)小于芯片實(shí)際表面積，導(dǎo)致界面結(jié)合強(qiáng)度存在天然短板。當(dāng)系統(tǒng)遭遇機(jī)械沖擊或因芯片與基板熱膨脹系數(shù)失配（如硅芯片CTE 2.6ppm/℃ vs 環(huán)氧樹脂基板CTE 15-25ppm/℃），凸點(diǎn)根部易形成應(yīng)力集中區(qū)域。

研究表明，在-40℃至125℃溫度循環(huán)測(cè)試中，未填充的倒裝芯片焊點(diǎn)應(yīng)力峰值可達(dá)80MPa，顯著超出焊料疲勞極限，致使互連失效風(fēng)險(xiǎn)激增。為突破這一可靠性瓶頸，底部填充與固化工藝應(yīng)運(yùn)而生。該技術(shù)通過在芯片與基板的微米級(jí)間隙（通常50-150μm）注入高流動(dòng)性有機(jī)膠，經(jīng)熱固化（80-150℃）或紫外光固化（UV，波長365nm）形成致密支撐層。其作用機(jī)制呈現(xiàn)雙重效應(yīng)：其一，膠層橫向擴(kuò)展將界面連接面積擴(kuò)大3-5倍，依據(jù)剪切強(qiáng)度測(cè)試數(shù)據(jù)，填充后芯片拉脫力可提升至未填充狀態(tài)的4-6倍；其二，膠層包裹凸點(diǎn)根部形成應(yīng)力緩沖結(jié)構(gòu)，有限元分析顯示，底部填充可使焊點(diǎn)應(yīng)力集中系數(shù)降低60%-70%，有效抑制裂紋萌生與擴(kuò)展。

工藝實(shí)施層面，主流采用流動(dòng)注入法：借助毛細(xì)作用驅(qū)動(dòng)填充膠沿芯片邊緣滲入間隙，該方法需控制膠液黏度（100-500mPa·s）與基板傾角（5°-15°）以確保填充均勻性。

近年來，非流動(dòng)（No-Flow）工藝嶄露頭角，其創(chuàng)新地將釬劑、黏接劑與填充材料集成于一體，在焊接過程中同步完成互連、填充與固化。此技術(shù)通過優(yōu)化材料配方（如添加納米級(jí)二氧化硅填料提升模量），使工藝步驟縮減40%，但對(duì)焊接溫度曲線與材料兼容性提出更高要求。

兩種工藝在消費(fèi)電子、汽車電子等領(lǐng)域形成互補(bǔ)應(yīng)用——流動(dòng)注入法適用于高精度芯片，非流動(dòng)工藝則憑借高效性在規(guī)模化生產(chǎn)中占據(jù)優(yōu)勢(shì)。