關於倒裝晶片技術的一切

半導體封裝技術簡介

從事半導體行業，尤其是半導體封裝的人，不可避免地熟悉幾種封裝工藝，即晶片鍵合、引線鍵合、倒裝晶片鍵合。

其中，引線鍵合和倒裝晶片鍵合最為常見。由於其局限性，膠帶自動鍵合（TAB）技術在封裝領域逐漸被淘汰。

倒裝晶片接合技術涉及透過將晶片上的凸塊直接向下接合到基板、載體或電路板上來互連元件。相較之下，引線鍵合透過將晶片的正面朝上並使用電線（通常是金線）將晶片與電路板連接起來。

引線鍵合、載帶自動鍵合和倒裝晶片鍵合各有其特點。其中，倒裝晶片鍵合因其結構緊湊、可靠性高而在封裝行業中越來越受歡迎。

什麼是倒裝晶片技術？

倒裝晶片技術起源於 IBM，該公司於 1960 年開發了在晶片上創建用於倒裝晶片焊接的凸塊的製程。後來，使用了 PbSn 凸塊，採用了受控塌陷元件連接 (C95) 技術，該技術最初是為大型主機開發的，作為高度可靠的封裝技術。 C5晶片表現出優異的電學和熱學性能，封裝疲勞壽命提高至少十倍。

繼IBM成功應用C4技術後，後續的技術進步促使一些半導體公司對C4技術進行了最佳化和升級。其中包括 Fairchild 開發鋁凸塊和 Amelco 推出金凸塊技術。

半導體封裝技術已從四方扁平封裝 (QFP) 發展到球柵陣列 (BGA) 封裝，再到最新的晶片級封裝 (CSP) 封裝。

下圖顯示了使用傳統 QFP、BGA 和其他技術封裝的裝置。

隨著半導體晶片尺寸的逐漸縮小，對晶片封裝技術的需求不斷增加，推動封裝技術朝向晶圓級、封裝化方向發展。

封裝傳統晶片時，通常的製程包括將晶圓切割成單獨的晶片，然後單獨封裝每個晶片。隨著封裝技術的成熟，在最新的半導體封裝中，出現了封裝製程與半導體製程融合的趨勢。這涉及到將晶片統一封裝在晶圓上，然後將其切割以創建具有更高可靠性的獨立晶片。

隨著倒裝晶片技術的成熟應用，目前全球倒裝晶片元件的消耗量每年超過600,000萬片，並以約50%的速度成長。 3% 的晶圓封裝用於倒裝晶片凸塊技術，預計幾年內將超過 20%。

倒裝晶片元件主要用於半導體裝置。有些元件，如被動濾波器、感測天線和儲存模組，也開始採用倒裝晶片技術。由於晶片透過凸塊直接連接到基板和載體，因此倒裝晶片元件更準確地稱為

直接晶片連接 (DCA)。如下圖所示，CPU、記憶體模組等電子產品是最常見的採用倒裝晶片技術的裝置。

此圖顯示了採用倒裝晶片技術的記憶體模組中記憶體晶片和電路板之間的連接，其中晶片使用底部填充黏合劑固定到電路板。

在典型的倒裝晶片封裝中，晶片透過3至5密爾（1密爾=25微米）厚的焊料凸點連接到晶片載體，底部填充材料用於保護焊料凸點。下圖說明了典型的倒裝晶片互連，其中晶片使用倒裝晶片技術連接到下面的基板。

在半導體晶片的倒裝互連過程中，有許多前處理和後處理步驟。以下詳細闡述倒裝晶片技術流程：

第一步：凸塊下金屬化 (UBM)

倒裝晶片互連的第一步是在晶片表面建立凸塊下金屬化 (UBM)。倒裝晶片連接的本質在於晶片上的凸塊與基板上的凸塊（焊盤）之間的連接。半導體表面金屬化有多種方法：

(a) 濺鍍：利用濺鍍在矽片上逐層沉積薄膜，然後透過微影對 UBM 佈局進行圖案化，並蝕刻掉非圖案化部分。

(b) 蒸發：利用掩模，透過蒸發將各層沉積在矽晶片上。此選擇性沉積使用對應於凸塊的形成的掩模。

(c)化學鍍：使用化學鍍法在Al焊盤上選擇性地鍍鎳。鋁表面常採用鋅鹽製程進行處理。此方法不需要真空或光刻設備，因此成本較低。下圖說明了半導體晶片上凸塊下金屬化 (UBM) 的過程。

由於鋁焊盤表面存在氧化層，金屬鍍層無法黏附在氧化表面上。因此，需要對鋁表面進行適當處理，以去除氧化層。

一種常見的方法是在鋁焊盤上使用鋅酸化，在鋁表面沉積一層鋅以防止氧化。鍍鋅製程的一個缺點是鋁也會被電鍍液腐蝕。因此需要進行二次鍍鋅處理，在此過程中大約0.3-0.4mm的鋁會被腐蝕。在鍍鋅過程中，鋅沉積在鋁表面，同時鋁和氧化鋁層被腐蝕。薄薄的鋅層可保護鋁免於進一步氧化。

鍍鋅製程後，化學鍍鎳進一步用於 UBM 沉積，金屬鎳充當擴散/連接的屏障。鎳的擴散速率非常低，幾乎不會與焊料發生反應，使其成為共晶焊料的理想 UBM 金屬。化學鍍鎳可用於UBM金屬沉積和凸塊形成。鍍金可以應用於一些倒裝晶片凸塊，由於金具有良好的導電性和抗氧化性，從而提高了可靠性。

第二步：回流形成凸塊

形成焊料凸塊的方法有很多種，包括蒸發、電鍍、印刷、螺柱凸塊、球滴和焊料轉移，其中電鍍和印刷被廣泛使用。

在半導體表面上的凸塊進行金屬化之後，使用回流爐來形成倒裝晶片凸塊。

回流形成凸塊的一般過程如下圖所示。

透過電鍍形成焊錫凸塊的具體過程如下圖所示：

常用的凸塊材料是Pb/Sn合金，因為它具有良好的回流焊接特性並且適合工業生產。

除了常用的Pb/Sn合金外，還使用其他凸塊材料，例如Au/Ni合金。為了確保可靠的互連，Under Bump

金屬化 (UBM) 必須與凸塊所使用的合金相容。適用於高鉛含量的 UBM 不一定適用於高錫焊料。例如，Cu潤濕層適用於含3-5%錫的高鉛焊料，但不適用於高錫焊料，因為Cu與Sn快速反應形成Sn-Cu金屬間化合物。如果銅被完全消耗，焊料將不會潤濕焊接區域。

下圖說明了不同凸塊材料的倒裝晶片連接。