集成电路焊接封装（集成电路封装互连）

集成电路焊接封装（集成电路封装互连）热压倒装焊的工作原理是：在一定的压力和温度下，对芯片的凸点施加超声波能量，在一定的时间内凸点与基板焊盘产生结合力，从而实现芯片与凸点的互连。热超声方法的凸点界面结合是一个摩擦过程，首先是界面接触和预变形，即在给定压力下，凸点与基板接触并在一定程度上被压扁和变形；然后是超声作用，先除去凸点表面的氧化物和污染层，再温度剧烈上升，凸点发生变形，凸点与基板焊盘的原子相互渗透，直到处于一定范围之内，所以，热压倒装焊的关键工艺参数是压力、温度、超声波功率和焊接时间。热压倒装焊示意图2.倒装芯片焊接的工艺方法倒装芯片焊接的工艺方法主要有热压焊法、再流焊法、环氧树脂光固化法和各向异性导电胶黏接法。（1）热压倒装焊。热压倒装焊使用倒装焊机对硬凸点如Au凸点、Ni/Au凸点、Cu凸点、Cu/Pb/Sn凸点等进行倒装焊。倒装焊机是由光学摄照对位系统、捡拾热压超声焊头、精确定位承片台及显示屏等组成的精密设备。

在集成电路封装互连中，芯片和引线框架（基板）的连接为电源和信号的分配提供了电路连接。有3种方式实现内部连接，分别是引线键合、载带自动焊和倒装焊。

1.倒装芯片技术的特点

倒装芯片技术就是用焊料把面朝下的芯片和基板互连在一起，形成稳定可靠的机械和电气连接。

由于凸点芯片倒装焊的芯片焊盘可以采用阵列排布，因而芯片安装密度高，适用于高I/O的芯片使用。倒装焊接采用芯片与基板直接安装的互连方法，具有更优越的高频、低延迟、低串扰的电路特性，适用于高频、高速的电子产品。

2.倒装芯片焊接的工艺方法

倒装芯片焊接的工艺方法主要有热压焊法、再流焊法、环氧树脂光固化法和各向异性导电胶黏接法。

（1）热压倒装焊。热压倒装焊使用倒装焊机对硬凸点如Au凸点、Ni/Au凸点、Cu凸点、Cu/Pb/Sn凸点等进行倒装焊。倒装焊机是由光学摄照对位系统、捡拾热压超声焊头、精确定位承片台及显示屏等组成的精密设备。

热压倒装焊示意图

热压倒装焊的工作原理是：在一定的压力和温度下，对芯片的凸点施加超声波能量，在一定的时间内凸点与基板焊盘产生结合力，从而实现芯片与凸点的互连。热超声方法的凸点界面结合是一个摩擦过程，首先是界面接触和预变形，即在给定压力下，凸点与基板接触并在一定程度上被压扁和变形；然后是超声作用，先除去凸点表面的氧化物和污染层，再温度剧烈上升，凸点发生变形，凸点与基板焊盘的原子相互渗透，直到处于一定范围之内，所以，热压倒装焊的关键工艺参数是压力、温度、超声波功率和焊接时间。

操作方法是将倒装焊的基板安放在承片台上，用捡拾焊头捡拾带有凸点的芯片，带凸点的有源面朝下对着基板，一路光学摄像头对着凸点芯片面，一路光学摄像头对着基板焊区，进行对位调整，并显示在屏上。FCB时芯片与基板的平行度非常重要，如果它们不平行，焊接后的凸点形变将有大有小，致使拉力强度有高有低，有的焊点可能达不到使用要求，所以，调平芯片与基板的平行度对焊接质量至关重要。调平系统的原理如下图。

调平系统的原理

对位调整达到精度要求后，落下压焊头进行压焊。压焊头可加热并带有超声，同时承片台也对基板加热，在加热、加压、超声到设定的时间后就完成了所有凸点与基板焊区的焊接。

热压倒装焊工艺的主要优点有：由于超声波能量的引入，焊接压力和温度都比较低，能对基板和芯片起到保护作用；焊凸点材料可以选取金凸点和铝凸点等；工艺过程简单，是一种清洁的无铅焊接，对人体和环境无损害。

（2）再流倒装焊。该方法专对锡铅焊料凸点进行再流焊接，又称C4技术。C4 倒装芯片的工艺包括印制助焊剂及焊膏、芯片贴装、回流焊、清洗、下部填充及固化。C4 的优点是工艺成熟，回流焊时，焊球熔化有自对准作用，因而对贴装精度要求较低。

（3）环氧树脂光固化法倒装焊。环氧树脂光固化法倒装焊利用光敏树脂光固化时产生的收缩力将凸点与基板上金属焊区牢固地互连在一起，不是“焊接”而是“机械接触”。其工艺步骤是：在基板上涂光敏树脂，芯片凸点与基板金属焊区对位贴装，加压的同时用紫外光固化，最终完成倒装焊。

再流倒装

光固化的树脂为丙烯基系，紫外光的光强为500mW/cm2，光照固化时间为3～5s，芯片上的压力为 1～5g/凸点。光固化后的收缩应力能使凸点与基板的金属电极形成牢固的机械接触。使用光固化树脂进行倒装焊工艺简单，不需要昂贵的设备投资，是一种成本低且有发展前途的倒装焊技术。

环氧树脂光固化法倒装焊示意图

（4）各向异性导电胶倒装焊。各向异性导电胶倒装焊是使用各向异性导电胶替代焊料作为凸点下的填充料。该材料在一个方向上导电，而在另外两个方向上是绝缘的。它可以被直接施加于键合区，芯片放在上面。由于垂直方向上的导电性，芯片与基板之间能发生电气连接，但该材料不会使相邻的连接点短路。各向异性导电胶倒装焊的主要优点是无铅、不用焊剂、工艺温度低以及不需要下填充。但它可能被限制在较低性能和较低热应力的场合。

各向异性导电胶倒装焊示意图

3.下填充技术

倒装焊后，要在芯片和基板之间填充环氧树脂，这不但可以保护芯片免受环境气氛如湿气、离子等的污染，也可经受机械振动和冲击。填充后可以减少芯片与基板间的热膨胀失配的影响，即可减小芯片焊料凸点连接处的应力，提高抗疲劳性，改善其可靠性。有研究表明，在聚合物环氧树脂中掺入大量的SiO2微颗粒，制成底充胶填充在芯片和基板之间，使焊点寿命提高了10～100倍。在芯片与有机基板之间用环氧树脂填充，其使用性能与陶瓷基板相仿。

填充环氧树脂示意图

倒装焊的下填充材料是一种特殊的材料，它不同于包封芯片的环氧树脂，下填充材料黏滞性高，影响电性能的离子含量低，添加料的α放射性低。这些材料可将芯片、基板和焊点的TCE失配减至最小来降低和再分配应力和应变。下填充材料由热固性聚合物和石英填料构成，填料的颗粒尺寸决定流动特性以及该材料能够填充的间隙尺寸，颗粒尺寸一般小于间隙高度的三分之一。下填充材料一般是通过热固化来变硬的，但也有使用紫外线或微波进行固化的。