隨著倒裝芯片封裝在成本和性能上的不斷改進(jìn)，加上鍵合金線價格的不斷攀升，從手機(jī)到游戲機(jī)芯片的各種應(yīng)用領(lǐng)域里，倒裝芯片技術(shù)都變得更具競爭力。

      回首15年前，幾乎所有封裝采用的都是引線鍵合。如今倒裝芯片技術(shù)正在逐步取代引線鍵合的位置。倒裝芯片的基本概念就是拿來一顆芯片，在連接點(diǎn)位置放上導(dǎo)電的凸點(diǎn)，將該面翻轉(zhuǎn)，有源面直接與電路相連接。倒裝芯片避免了多余的封裝工藝，同時得到像縮小尺寸、可高頻運(yùn)行、低寄生效應(yīng)和高I/O密度的優(yōu)點(diǎn)（圖1）。

      在從手機(jī)和尋呼機(jī)到MP3播放器和數(shù)碼相機(jī)的所有熱門的消費(fèi)類電子產(chǎn)品中，幾乎都能找到倒裝芯片封裝。在服務(wù)器中，近乎所有的邏輯模塊都采用倒裝芯片封裝。大部分ASIC、游戲機(jī)電路、圖形處理器、芯片組、現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）和數(shù)字信號處理器（DSP）也都已采用了倒裝芯片封裝（圖2）。

圖1. 像這個倒裝芯片BGA系統(tǒng)級封裝（SiP）的應(yīng)用那樣，隨著金線鍵合成本的提升，對倒裝芯片的需求在不斷增加。

圖2. 為游戲機(jī)CPU設(shè)計的倒裝芯片BGA。

      在過去幾年里金絲引線鍵合的成本不斷提高——這使得倒裝芯片變得更具吸引力。“如果看一下兩到三年前的成本，自然而然是倒裝芯片更高，” STATS ChipPAC（新加坡）負(fù)責(zé)倒裝芯片和新興產(chǎn)品的副總裁Raj Pendse這樣介紹?！巴ǔ碚f倒裝芯片所用的封裝基板成本是引線鍵合襯底的兩到三倍，但金價的飆升卻超過了封裝基板的差價。在很寬泛的應(yīng)用領(lǐng)域里，倒裝芯片已經(jīng)成了更具成本效益的解決方案。過去兩種方法的成本平衡點(diǎn)是1000引腳。現(xiàn)在只要在200到700引腳范圍內(nèi)，倒裝芯片就更劃算?！?/p>

      倒裝芯片的歷史回顧

      倒裝芯片技術(shù)的首次應(yīng)用可以追溯到1964年。根據(jù)IBM封裝技術(shù)戰(zhàn)略部門的杰出工程師Peter Brofman介紹，那時他們已經(jīng)在IBM S/360大型機(jī)中采用了混合固態(tài)邏輯技術(shù)（SLT）。這一技術(shù)主要是采用一些大節(jié)距的銅珠用作額外支撐，可以防止與無源器件之間的短路。“真正將倒裝芯片用在IC中始于1969年，但當(dāng)時只有四邊引腳的方案，”他解釋說?！巴耆骊嚵械慕饘倩沾桑∕C）技術(shù)出現(xiàn)在70年代中期。在80年代早期，IBM已經(jīng)可以完成11×11陣列、節(jié)距為250 μm的Pb-5Sn焊料球了。 ”

      80年代末和90年代初，摩托羅拉從IBM獲得倒裝芯片的授權(quán)，開始尋找倒裝芯片陶瓷載體的替代物，開啟了對芯片到載體的下填充物以及低成本FR4有機(jī)材料的研究。IBM封裝工程經(jīng)理Patrick OLeary指出，這些工作是與卡上加層的技術(shù)并行開發(fā)的，這一技術(shù)基于1990年的表面多層電路（SLC）工藝，到90年代中期，多芯片載體已經(jīng)相當(dāng)普遍。

      “到1998年，大尺寸的微處理器開始采用芯片下填充料，并且轉(zhuǎn)向有機(jī)倒裝芯片加強(qiáng)載體，2000到2001年，35 mm、2-2-2載體基板的價格已經(jīng)接近3美元，”O(jiān)’Leary介紹說?！巴€鍵合相比，倒裝芯片仍‘有點(diǎn)貴’，但性價比已經(jīng)很高，因此圖形處理器和游戲機(jī)處理器先后從倒裝芯片技術(shù)中獲益，到04、05年左右，已經(jīng)完成了向有機(jī)倒裝芯片模塊的轉(zhuǎn)移。”

      IBM已經(jīng)將所有新的倒裝芯片單芯片模塊（SCM）轉(zhuǎn)向多層載體基板。O’Leary指出，處理器向倒裝芯片的重大轉(zhuǎn)移使得倒裝芯片模塊的年復(fù)合增長率（CAGR）比十年前提高了35%?！艾F(xiàn)在CAGR雖然低了一些，但仍然強(qiáng)勁，隨著金價的上揚(yáng)，兩種方法的成本平衡點(diǎn)已經(jīng)降到了200-700 I/O。在更低的引腳數(shù)下，整合器件制造商（IDM）將在他們的封裝方案中淘汰引線鍵合——很可能從32 nm節(jié)點(diǎn)開始。”

      最近，倒裝芯片領(lǐng)域其他的里程碑還包括倒裝芯片的“凸點(diǎn)工藝”，或者說焊料沉積可選范圍的發(fā)展。90年代中期，像300 mm這樣的大尺寸晶圓驅(qū)使IBM和其他廠商從真空蒸發(fā)方法轉(zhuǎn)向電鍍方法。最近IBM和SUSS MicroTec（德國慕尼黑）共同開發(fā)并商業(yè)化了IBM的下一代無鉛半導(dǎo)體封裝技術(shù)，也就是可控塌陷芯片連接新工藝（C4NP），目前已進(jìn)入量產(chǎn)。O’Leary指出，采用C4NP可以在前端就完成預(yù)先圖形化的焊料球，縮短了工藝流程的時間。可以預(yù)先檢查焊料凸點(diǎn)，并采用與晶圓級鍵合類似的技術(shù)，一步沉積在晶圓上。這種方法將焊料涂覆的簡便性（網(wǎng)版/絲印）和電鍍的窄節(jié)距能力結(jié)合在一起?！癈4NP和電鍍方法都可以在產(chǎn)品中獲得150 μm的C4節(jié)距，從而滿足硅器件等比例縮減的要求，”O(jiān)’Leary介紹說。 function ImgZoom(Id)//重新設(shè)置圖片大小 防止撐破表格 { var w=$(Id).width; var m=650; if(w

      盡管當(dāng)初IBM開發(fā)倒裝芯片技術(shù)是為了滿足大型計算機(jī)市場的要求，但倒裝芯片的應(yīng)用范圍已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了計算機(jī)，Amkor（亞利桑那州，Chandler）負(fù)責(zé)倒裝芯片的高級主管Frederick Hamilton說。“倒裝芯片已經(jīng)進(jìn)入到計算機(jī)、無線通信、網(wǎng)絡(luò)、電信/數(shù)據(jù)、汽車和消費(fèi)類電子（HDTV）市場，”他表示。“但PC仍然是半導(dǎo)體和倒裝芯片器件的最大單一用戶。”

      有意思的是，倒裝芯片的平均現(xiàn)場壽命大約為15年——盡管部分產(chǎn)品的設(shè)計壽命是5年。Pendse還指出：“考慮到倒裝芯片的基本結(jié)構(gòu)，很輕松地就可達(dá)到15年的現(xiàn)場壽命?！?/p>

      關(guān)鍵的技術(shù)優(yōu)勢

      倒裝芯片的主要優(yōu)勢包括可縮減和節(jié)省空間，此外還有互連通路更短且電感更低、高I/O密度、返工和自對準(zhǔn)能力。對散熱管理來說，倒裝芯片的性能也很突出。

      倒裝芯片可以采用面陣列互連，這意味著比四周排列封裝更高的I/O密度和更有效的電源供應(yīng)。“如果需要的話，你可以將電源直接供應(yīng)到芯片中間位置去。這有很大的優(yōu)點(diǎn)。對RF和其他一些應(yīng)用來說，倒裝芯片帶來的低寄生效應(yīng)非常重要，”Pendse說。“另一個優(yōu)點(diǎn)是因?yàn)樾酒桥c基板直接連接的，你就不需要扇出了——這與需要芯片到基板I/O扇出的引線鍵合不同。它意味著你可以獲得尺寸更小的封裝?！盵page]

      仍待解決的技術(shù)挑戰(zhàn)

      隨著業(yè)界繼續(xù)降低技術(shù)節(jié)點(diǎn)，還有很多挑戰(zhàn)尚待解決。Hamilton認(rèn)為，這包括需要改進(jìn)封裝的電學(xué)/熱學(xué)性能、對尺寸縮減的持續(xù)需求、更窄的凸點(diǎn)節(jié)距，以及更短的上市時間，并且所有這些都需要在更低成本的前提下實(shí)現(xiàn)。

      “業(yè)界還需要解決很多問題，像材料內(nèi)的空隙、與低k材料兼容的凸點(diǎn)制作方法、低k材料與封裝的翹曲相關(guān)，而翹曲在薄層和無核多層基板中更加突出，”Hamilton表示。

      當(dāng)年業(yè)界從陶瓷基板轉(zhuǎn)換到有機(jī)基板時，也出現(xiàn)了很多嚴(yán)重的可靠性問題。Pendse說：“IBM聲稱，采用陶瓷基板和高鉛凸點(diǎn)的倒裝芯片封裝，在35年的運(yùn)行時間中達(dá)到了零失效。”如果采用有機(jī)基板，由基板和芯片CTE失配引起的可靠性問題，以及有機(jī)基板自身的性能波動，使得現(xiàn)場失效的可能性大大提升。Pendse還補(bǔ)充：“新的鍵合結(jié)構(gòu)、新的基板和隨之而來的質(zhì)量波動，以及更高的CTE失配，都是需要解決的巨大挑戰(zhàn)?！?/p>

      其他的挑戰(zhàn)還有采用倒裝芯片需要密度更高的基板，使得該技術(shù)比現(xiàn)行的引線鍵合技術(shù)更貴。Pendse介紹說，部分由于金價的上揚(yáng)，部分由于互連結(jié)構(gòu)和基板設(shè)計的不斷創(chuàng)新，目前價格因素的差異已經(jīng)不那么顯著了。但隨著倒裝芯片在更寬的產(chǎn)品范圍得到接受，例如消費(fèi)類電子產(chǎn)品，價格問題仍將是倒裝芯片技術(shù)的一個挑戰(zhàn)。

      根據(jù)Brofman和O’Leary介紹，其他方面的挑戰(zhàn)還包括采用新型和改進(jìn)的硅介電材料后，硅變得更加易碎，與此同時工業(yè)界還在關(guān)注超高互連密度的倒裝芯片陣列。芯片-封裝相互作用（CPI）——有限的可靠性、更高帶寬和更高密度——使得各方需要共同協(xié)作來解決這些問題。這也是為什么2008年在紐約州宣布建立一個封裝研發(fā)中心，以解決關(guān)鍵的倒裝芯片可靠性挑戰(zhàn)。一個例子是電遷移，由于電流密度過高引起導(dǎo)體中金屬原子的漸進(jìn)流失，這將可能是窄節(jié)距C4面對的最大問題。

      當(dāng)前趨勢

      Brofman和O’Leary都認(rèn)為，倒裝芯片下一步的演進(jìn)方向是芯片在插入層或者疊層芯片上的3-D集成。他們還指出，帶有穿透硅通孔（TSV）的芯片和晶圓減薄，以及超窄節(jié)距（50 μm）的新型Cu/Cu和銅柱互連都在開發(fā)中。此外為了滿足先進(jìn)微處理器日益增長的功率密度要求，他們相信，疊層芯片方法將會在散熱管理上帶來很大挑戰(zhàn)。

      Brofman還介紹說，封裝技術(shù)還持續(xù)地推動著材料科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展。盡管他也認(rèn)為碳納米管（CNT）互連還需要一些年的時間，但在近期，很可能采用納米材料作為芯片下填充料、導(dǎo)熱材料和多層復(fù)合基板的填充物。

      Brofman還指出，在材料沉積領(lǐng)域也有一些新趨勢出現(xiàn)?！俺薈4NP，在形成倒裝芯片互連時，還可以采用傳統(tǒng)BGA所使用的‘下投焊球’的方法?！?/p>

      那么無鉛的趨勢呢？目前倒裝芯片模塊仍受到歐盟《限制使用有害物質(zhì)條例》（RoHS）的豁免，并很可能會延續(xù)到2014年?！耙话愕挠^點(diǎn)是如果使用無鉛材料制作凸點(diǎn)，將會遇到大量的可靠性問題，”Pendse介紹說?！凹幢愎柽M(jìn)展到40 nm或更低節(jié)點(diǎn)，由于硅本身變得更脆，以及無鉛焊料本身更硬，這一問題將會更難解決。”工業(yè)界正在嘗試不同的凸點(diǎn)材料和方案，使互連變得更加柔順。

      由于全世界范圍內(nèi)電子產(chǎn)品的“綠色化”，長期來看，都會轉(zhuǎn)向無鉛的芯片互連，因此更多的倒裝芯片用戶將會采用無鉛模塊，這不僅僅是來自于法規(guī)的要求，也更是未來含鉛模塊能否進(jìn)入市場的不確定性所驅(qū)使的，O’Leary介紹說?！岸嘈酒K，特別是兩芯片模塊，已經(jīng)比三年前更受歡迎。由于對電性能的追求，將會更多考慮更薄的基板核（0.4mm或更薄和/或無核有機(jī)倒裝芯片基板，”他說。“除了3-D集成在性價比上的提高外，像晶圓級芯片尺寸封裝所使用的晶圓級工藝技術(shù)也備受關(guān)注。”

      Pendse預(yù)測，未來兩年內(nèi)倒裝芯片領(lǐng)域的另一個趨勢是不斷滲透那些現(xiàn)在還較空白的領(lǐng)域——像音頻/視頻、錄像機(jī)、相機(jī)、MP3播放器、數(shù)字電視等這樣的消費(fèi)類電子產(chǎn)品，可以受益于倒裝芯片出色的RF性能和可微縮能力。

      用戶也在探索低成本倒裝芯片基板?！肮I(yè)界一直在尋找可以有效布線以及芯片到基板互連的新設(shè)計方法，”Hamilton說。“目前正在研究的一種方法是用激光燒蝕將信號圖案寫到介電層，之后進(jìn)行金屬化?！?/p>

      在薄核基板方面，工業(yè)界將進(jìn)入45nm及以下技術(shù)節(jié)點(diǎn)，芯片上晶體管的數(shù)目將會增加，開關(guān)速度也會提高，開關(guān)電壓將會降低，并且需要更短的信號通路降低寄生效應(yīng)，Hamilton表示?！盀榱藵M足這些需求，我們已經(jīng)看到，目前標(biāo)準(zhǔn)的高性能倒裝芯片基板的核厚是800μm，業(yè)界已經(jīng)開始向600μm或400μm前進(jìn)。隨著核厚度的降低，我們面臨更多的基板和封裝翹曲的風(fēng)險，其共面性將會挑戰(zhàn)當(dāng)前工業(yè)界已經(jīng)接受的標(biāo)準(zhǔn)。對更薄核以及無核基板的需求已經(jīng)到來，為了戰(zhàn)勝這些風(fēng)險和挑戰(zhàn)，封裝廠、基板供應(yīng)商和組裝材料制造商已經(jīng)開始共同協(xié)作努力?！?/p>

      無核基板可以進(jìn)一步提高倒裝芯片封裝的電學(xué)性能。無核基板中可以采用任一層作為電源或地，并可以在一層內(nèi)完成所有的輸入端布線，在另一層完成所有的輸出端布線。這種基板還給芯片設(shè)計人員帶來極大的靈活性。

      另一個趨勢是芯片頂部裸露、模塑的大尺寸高性能倒裝芯片?！澳Ｋ艿寡b芯片方案的優(yōu)勢在于可以支持薄核和無核方案，這樣就可以達(dá)到甚至超越工業(yè)界對共面性的要求，”Hamilton說。模塑封裝方案可以增進(jìn)散熱性能，使芯片可以與外部的散熱部件通過一層熱界面材料直接接觸。這也是現(xiàn)有高性能單一或兩芯片封蓋方案的一個低成本替代方案，并提高了BGA焊料連接的可靠性。

      最后但仍很重要、并值得討論的是銅焊柱?！安捎煤噶贤裹c(diǎn)倒裝芯片封裝方案進(jìn)行器件微縮，同時會增加由于非常接近的相鄰?fù)裹c(diǎn)導(dǎo)致的嚴(yán)重的電遷移風(fēng)險，”Hamilton解釋說?！斑@樣情況下，銅焊柱凸點(diǎn)可以降低這種風(fēng)險，并可得到比當(dāng)今的焊料凸點(diǎn)更窄的引腳間距?！逼渌麅?yōu)點(diǎn)還包括比焊料凸點(diǎn)更小的芯片/基板縫隙，并可降低阿爾法粒子。 function ImgZoom(Id)//重新設(shè)置圖片大小 防止撐破表格 { var w=$(Id).width; var m=650。

      持續(xù)發(fā)展和最終的替代方案？

      那么從現(xiàn)在開始倒裝芯片技術(shù)會向哪個方向變遷？Pendse介紹說，他期待未來的互連技術(shù)會有所不同?！捌鸪?，采用微凸點(diǎn)的TSV互連將會促進(jìn)倒裝芯片的使用，它們與倒裝芯片不同，但是在同一陣營，”他說。“繼續(xù)前進(jìn)的話，可能會出現(xiàn)更好的芯片鍵合技術(shù)。之后TSV本身可能會被看作是一種互連。倒裝芯片可能逐漸被其他方法所取代?！币环N可能是將TSV作為互連（圖3），另一種可能是扇出型晶圓級封裝（FOWLP），也被稱為“先芯片封裝（chips-first packaging）”。

圖3. TSV可能最終會取代倒裝芯片。

      Hamilton還指出，倒裝芯片也是下一代3-D IC架構(gòu)的關(guān)鍵互連技術(shù)?！盎ミB和封裝技術(shù)的壽命周期非常長，”他說。“到現(xiàn)在，即便倒裝芯片應(yīng)用和技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得非常迅速了，還有大量的DIP（通孔互連）封裝存在。”

      Brofman認(rèn)為銅/銅鍵合或銅釘頭/凸點(diǎn)的潛力非常大，特別是在3-D集成領(lǐng)域，可能會取代倒裝芯片傳統(tǒng)的焊料沉積方法?！耙恍㊣DM也在開發(fā)小尺寸、低I/O、先芯片封裝技術(shù)，并且在低端倒裝芯片模塊方面顯示出良好的前景，”他補(bǔ)充說。

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