在集成電路封裝互連中，芯片和引線框架（基板）的連接為電源和信號(hào)的分配提供了電路連接。有3種方式實(shí)現(xiàn)內(nèi)部連接，分別是引線鍵合、載帶自動(dòng)焊和倒裝焊。

1.倒裝芯片技術(shù)的特點(diǎn)

倒裝芯片技術(shù)就是用焊料把面朝下的芯片和基板互連在一起，形成穩(wěn)定可靠的機(jī)械和電氣連接。

由于凸點(diǎn)芯片倒裝焊的芯片焊盤(pán)可以采用陣列排布，因而芯片安裝密度高，適用于高I/O的芯片使用。倒裝焊接采用芯片與基板直接安裝的互連方法，具有更優(yōu)越的高頻、低延遲、低串?dāng)_的電路特性，適用于高頻、高速的電子產(chǎn)品。

2.倒裝芯片焊接的工藝方法

倒裝芯片焊接的工藝方法主要有熱壓焊法、再流焊法、環(huán)氧樹(shù)脂光固化法和各向異性導(dǎo)電膠黏接法。

（1）熱壓倒裝焊。熱壓倒裝焊使用倒裝焊機(jī)對(duì)硬凸點(diǎn)如Au凸點(diǎn)、Ni/Au凸點(diǎn)、Cu凸點(diǎn)、Cu/Pb/Sn凸點(diǎn)等進(jìn)行倒裝焊。倒裝焊機(jī)是由光學(xué)攝照對(duì)位系統(tǒng)、撿拾熱壓超聲焊頭、精確定位承片臺(tái)及顯示屏等組成的精密設(shè)備。

熱壓倒裝焊示意圖

熱壓倒裝焊的工作原理是：在一定的壓力和溫度下，對(duì)芯片的凸點(diǎn)施加超聲波能量，生結(jié)合力，從而實(shí)現(xiàn)芯片與凸點(diǎn)的互連。熱超聲方法的凸點(diǎn)界面結(jié)合是一個(gè)摩擦過(guò)程，首先是界面接觸和預(yù)變形，即在給定壓力下，凸點(diǎn)與基板接觸并在一定程度上被壓扁和變形；然后是超聲作用，先除去凸點(diǎn)表面的氧化物和污染層，再溫度劇烈上升，凸點(diǎn)發(fā)生變形，凸點(diǎn)與基板焊盤(pán)的原子相互滲透，直到處于一定范圍之內(nèi)，所以，熱壓倒裝焊的關(guān)鍵工藝參數(shù)是壓力、溫度、超聲波。

操作方法是將倒裝焊的基板安放在承片臺(tái)上，用撿拾焊頭撿拾帶有凸點(diǎn)的芯片，帶凸點(diǎn)的有源面朝下對(duì)著基板，一路光學(xué)攝像頭對(duì)著凸點(diǎn)芯片面，一路光學(xué)攝像頭對(duì)著基板焊區(qū)，進(jìn)行對(duì)位調(diào)整，并顯示在屏上。FCB常重要，如果它們不平行，焊接后的凸點(diǎn)形變將有大有小，致使拉力強(qiáng)度有高有低，有的焊點(diǎn)可能達(dá)不到使用要求，所以，調(diào)平芯片與基板的平行度對(duì)焊接質(zhì)量至關(guān)重要。調(diào)平系統(tǒng)的原理如下圖。

調(diào)平系統(tǒng)的原理

對(duì)位調(diào)整達(dá)到精度要求后，落下壓焊頭進(jìn)行壓焊。壓焊頭可加熱并帶有超聲，，在加熱、加壓、超與基板焊區(qū)的焊接。

熱壓倒裝焊工藝的主要優(yōu)點(diǎn)有：由于超聲波能量的引入，焊接壓力和溫度都比較低，能對(duì)基板和芯片起到保護(hù)作用；焊凸點(diǎn)材料可以選取金凸點(diǎn)和鋁凸點(diǎn)等；工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，是一種清潔的無(wú)鉛焊接，對(duì)人體和環(huán)境無(wú)損害。

（2）再流倒裝焊。該方法專對(duì)錫鉛焊料凸點(diǎn)進(jìn)行再流焊接，又稱C4技術(shù)。C4倒裝芯片的工藝包括印制助焊劑及焊膏、芯片貼裝、回流焊、清洗、下部填充及固化。C4的優(yōu)點(diǎn)是工藝成熟，，焊球熔化有自對(duì)準(zhǔn)作用，因而對(duì)貼裝精度要求較低。

（3）環(huán)氧樹(shù)脂光固化法倒裝焊。環(huán)氧樹(shù)脂光固化法倒裝焊利用光敏基板上金屬焊區(qū)牢固地互連在一起，不是“焊接”而是“機(jī)械接觸”。其工藝步驟是：在基板上涂光敏樹(shù)脂，芯片凸點(diǎn)與基板金屬焊區(qū)對(duì)位貼裝，，最終完成倒裝焊。

再流倒裝

光固化的樹(shù)脂為丙烯基系，紫外光的光強(qiáng)為500mW/cm2，3～5s，芯片上的壓力為1～5g/凸點(diǎn)。光固化后的收縮應(yīng)力能使凸點(diǎn)與基板的金屬電極形成牢固的機(jī)械接觸。使用光固化樹(shù)脂進(jìn)行倒裝焊工藝簡(jiǎn)單，不需要昂貴的設(shè)備投資，是一種成本低且有發(fā)展前途的倒裝焊技術(shù)。

環(huán)氧樹(shù)脂光固化法倒裝焊示意圖

（4）各向異性導(dǎo)電膠倒裝焊。各向異性導(dǎo)電膠倒裝焊是使用各向異性導(dǎo)電膠替代焊料作為凸點(diǎn)下的填充料。該材料在一個(gè)方向上導(dǎo)電，而在另外兩個(gè)方向上是絕緣的。它可以被直接施加于鍵合區(qū)，芯片放在上面。由于垂直方向上的導(dǎo)電性，芯片與基板之間能發(fā)生電氣連接，但該材料不會(huì)使相鄰的連接點(diǎn)短路。各向異性導(dǎo)電膠倒裝焊的主要優(yōu)點(diǎn)是無(wú)鉛、不用焊劑、工藝溫度低以及不需要下填充。但它可能被限制在較低性能和較低熱應(yīng)力的場(chǎng)合。

各向異性導(dǎo)電膠倒裝焊示意圖

3.下填充技術(shù)

倒裝焊后，要在芯片和基板之間填充環(huán)氧樹(shù)脂，這不但可以保護(hù)芯片免受環(huán)境氣氛如濕氣、離子等的污染，也可經(jīng)受機(jī)械振動(dòng)和沖擊。填充后可以減少芯片與基板間的熱膨脹失配的影響，即可減小芯片焊料凸點(diǎn)連接處的應(yīng)力，提高抗疲勞性，改善其可靠性。有研究表明，在聚合物環(huán)氧樹(shù)脂中摻入大量的SiO2微顆粒，制成底充膠填充在芯片和基板之間，使焊點(diǎn)壽命提高了10～100倍。在芯片與有機(jī)基板之間用環(huán)氧樹(shù)脂填充，其使用性能與陶瓷基板相仿。

填充環(huán)氧樹(shù)脂示意圖

倒裝焊的下填充材料是一種特殊的材料，它不同于包封芯片的環(huán)氧樹(shù)脂，下填充材料黏滯性高，影響電性能的離子含量低，添加料的α放射性低。這些材料可將芯片、基板和焊點(diǎn)的TCE失配減至最小來(lái)降低和再分配應(yīng)力和應(yīng)變。下填充材料由熱固性聚合物和石英填料構(gòu)成，填料的顆粒尺寸決定流動(dòng)特性以及該材料能夠填充的間隙尺寸，顆粒尺寸一般小于間隙高度的三分之一。下填充材料一般是通過(guò)熱固化來(lái)變硬的，但也有使用紫外線或微波進(jìn)行固化的。