倒裝焊器件封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

敖國(guó)軍，張國(guó)華，蔣長(zhǎng)順，張嘉欣

（無(wú)錫中微高科電子有限公司，江蘇 無(wú)錫 214035）

1 前言

隨著半導(dǎo)體集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，集成度越來(lái)越高，芯片上的輸入輸出（I/O）端子數(shù)急速增長(zhǎng)，引線鍵合（WB）技術(shù)和帶載自動(dòng)鍵合（TAB）技術(shù)已不能滿足高集成度半導(dǎo)體發(fā)展需求。倒裝焊互聯(lián)技術(shù)是在整個(gè)芯片表面按柵陣形狀布置I/O端子，芯片直接以倒扣方式安裝到布線板上，通過(guò)上述柵陣列I/O端子與基板上相應(yīng)的電極焊盤(pán)實(shí)現(xiàn)電氣連接，在相同面積下可以布置更多I/O端子，節(jié)距能做到更大，更能適應(yīng)半導(dǎo)體高集成化的發(fā)展需求[1]。

隨著倒裝焊技術(shù)的發(fā)展和成熟，其應(yīng)用范圍越來(lái)越廣。不同的應(yīng)用環(huán)境，對(duì)其技術(shù)要求不一樣，如頻率、功率、密封等各個(gè)方面，不同的應(yīng)用要求需要不同的封裝結(jié)構(gòu)。

2 倒裝焊封裝外殼材料

倒裝焊封裝外殼材料可分為有機(jī)材料和無(wú)機(jī)材料。有機(jī)材料為PCB板，主要有BT和環(huán)氧樹(shù)脂板；無(wú)機(jī)材料為陶瓷，主要有低溫共燒陶瓷（LTCC）、高溫共燒陶瓷（HTCC）、氮化鋁陶瓷（AlN）、氧化鈹陶瓷（BeO）等。

主要倒裝焊封裝外殼材料的電性能、熱性能等典型特性值[1]如表1。

表1 材料特性表

從表1可以看出，在電特性方面陶瓷的介電常數(shù)高，樹(shù)脂系低。熱特性方面陶瓷熱導(dǎo)率高，熱膨脹系數(shù)與Si芯片相近，而樹(shù)脂系熱導(dǎo)率低且熱膨脹系數(shù)與Si芯片相差大。

對(duì)于高頻倒裝焊器件來(lái)說(shuō)，可以選擇低介電常數(shù)的PCB和LTCC材料，由于PCB的熱膨脹系數(shù)與Si芯片差值大，安裝面積大的倒裝焊芯片可靠性低。LTCC材料熱膨脹系數(shù)與Si芯片接近，在一次安裝的可靠性高，更加適合面積大的倒裝焊芯片，圖1為L(zhǎng)TCC材料的倒裝焊外殼，安裝的芯片尺寸達(dá)到25 mm×25 mm，圖2、圖3為測(cè)試的S參數(shù)值，頻率可達(dá)30 GHz以上。

圖1 LTCC材料的倒裝焊外殼

圖2 S參數(shù)值一

AlN、BeO材料熱導(dǎo)率高，有利于散熱，適合大功率的器件，且熱膨脹系數(shù)與Si芯片接近，可直接裸片安裝。從材料特性方面來(lái)看，BeO材料優(yōu)于AlN，楊平等人對(duì)BeO、AlN、HTCC不同材料基板的CBGA焊點(diǎn)在熱循環(huán)下的力學(xué)特性研究表明其應(yīng)力應(yīng)變值最小，可靠性最高，但BeO有毒，因而限制了它的使用[2]。

HTCC材料因其成本低，加工性能好，工藝成熟，是高可靠性倒裝芯片主要材料之一，圖4為典型HTCC材料倒裝焊的封裝結(jié)構(gòu)，倒裝焊芯片I/O端子多，布線層數(shù)多，布線長(zhǎng)度長(zhǎng)，再加上HTCC材料介電常數(shù)大，當(dāng)頻率達(dá)到一定程度后（如5 GHz以上）難以滿足要求。

圖3 S參數(shù)值二

圖4 HTCC材料倒裝焊的典型封裝結(jié)構(gòu)

3 倒裝焊區(qū)設(shè)計(jì)

倒裝焊互聯(lián)方法主要有可控塌陷芯片連接法（C4法）、各向異性導(dǎo)電膠（膜）法（ACP和ACF）、釘頭凸點(diǎn)法（SBB）和機(jī)械接觸互連法[1]，如圖5。

圖5 幾種典型的倒裝焊互聯(lián)（FCB）方法

C4法是在芯片電極上制作焊料凸點(diǎn)后，然后再將倒裝芯片連接到外殼焊盤(pán)上，其可靠性受制于基板焊盤(pán)金屬化，包括材料、金屬化工藝、焊盤(pán)區(qū)平面度等困素。

對(duì)陶瓷外殼（LTCC、HTCC、AlN），根據(jù)實(shí)際情況可選擇薄膜或厚膜金屬化工藝，薄膜金屬化可參考表2。厚膜金屬化有兩種方案：一種是外殼焊盤(pán)落在厚膜導(dǎo)體上，另一種是落在通孔的金屬化柱上。第一種方案，對(duì)不同成分的芯片凸點(diǎn)焊料，外殼焊盤(pán)金屬材料也不相同，通過(guò)試驗(yàn)確定合適的材料匹配及焊接條件。

表2 常用的UBM及參考厚度（單位：μm）

要使倒裝焊芯片與外殼的互連達(dá)到一定的可靠性要求，關(guān)鍵是安裝互連倒裝焊芯片的外殼頂層金屬焊區(qū)與芯片凸點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，與凸點(diǎn)金屬具有良好的壓焊或焊料浸潤(rùn)特性。厚膜工藝主要有Pd-Ag、Au、Cu、W/Ni/Au等金屬化漿料，薄膜工藝主要有Ti/W（Ni、Pt）/Au（Cu）等金屬化。薄膜金屬化工藝用蒸發(fā)/濺射/光刻/電鍍法，很容易制作成l0 μm左右線寬和節(jié)距的金屬化圖形，所以能滿足各類凸點(diǎn)尺寸和節(jié)距的凸點(diǎn)芯片倒裝焊的要求；而傳統(tǒng)的厚膜印制/燒結(jié)技術(shù)，由于受導(dǎo)體漿料及絲網(wǎng)印制的線寬和節(jié)距所限，只能滿足凸點(diǎn)尺寸/節(jié)距較大的凸點(diǎn)芯片倒裝焊的要求。但采取厚膜和薄膜混合布線，在外殼頂層采用薄膜金屬化工藝，就能滿足任何凸點(diǎn)的倒裝焊要求。

美國(guó)的戰(zhàn)略意志力不足。美國(guó)此次退出伊核協(xié)議并恢復(fù)對(duì)伊朗石油業(yè)的制裁，屬于遏制伊朗過(guò)快崛起的“無(wú)奈之舉”，而非威逼伊朗政權(quán)發(fā)生更迭的“封喉利器”。特朗普上臺(tái)后開(kāi)始迅速扭轉(zhuǎn)在伊朗問(wèn)題上的被動(dòng)局面，以此前簽訂的JCPOA“對(duì)美國(guó)而言極不公平、幫了伊朗大忙”為由，而宣布在5月8號(hào)“退群”。美國(guó)此舉實(shí)際上是通過(guò)恢復(fù)制裁，降低或消除伊朗國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)和綜合國(guó)力快速發(fā)展的勢(shì)頭，遏制其過(guò)快地崛起，阻止其打破本地區(qū)的戰(zhàn)略平衡。但美國(guó)沒(méi)有決心也不愿意跟伊朗死磕，更沒(méi)有意志力去推翻伊朗現(xiàn)政權(quán)，因?yàn)槊绹?guó)的底氣不足。畢竟，伊朗在中東做大是美國(guó)的“戰(zhàn)略失誤”帶來(lái)的，而不是伊朗有意而為。

倒裝焊芯片凸點(diǎn)高度一般為幾十微米到百微米，回流之后凸點(diǎn)只是部分塌陷，如果塌陷程度不能彌補(bǔ)平面度所產(chǎn)生的誤差，將會(huì)出現(xiàn)虛焊現(xiàn)象，導(dǎo)致器件開(kāi)路。對(duì)于陶瓷材料來(lái)說(shuō)，主要有兩種結(jié)構(gòu)形式，分別為腔體和平面結(jié)構(gòu)，如圖6。陶瓷外殼多為多層結(jié)構(gòu)，一層一層生瓷片通過(guò)疊壓工藝疊在一起，如圖7。腔體結(jié)構(gòu)的外殼在疊壓時(shí)，腔體面與上、下兩面所受壓力大小不一樣，導(dǎo)致瓷體各點(diǎn)的密度不一致，通過(guò)高溫?zé)Y(jié)之后，瓷體收縮不一致，在瓷體內(nèi)部產(chǎn)生不均勻的應(yīng)力，易致瓷體翹曲，平面度差，通常平面度50 μm左右，而平面結(jié)構(gòu)平面度能達(dá)到30 μm以下。

4 非氣密性倒裝焊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

非氣密性倒裝焊一般由外殼、芯片及引腳（焊球、焊柱、針）組成，常見(jiàn)結(jié)構(gòu)如圖8，芯片倒裝后進(jìn)行底部填充。外殼可以為PCB、LTCC、HTCC等各種有機(jī)和無(wú)機(jī)材料。外殼材料為PCB板時(shí)，引腳常選用低溫PbSn、SnAgCu等材料的焊球。外殼材料為無(wú)機(jī)材料，如LTCC、HTCC、AlN等，引腳常選用高溫PbSn焊球和焊柱及可代材料的針。

圖6 外殼瓷體結(jié)構(gòu)形式

圖7 疊壓示意圖

圖8 典型的非氣密倒裝焊封裝結(jié)構(gòu)示意圖

大功率非氣密性倒裝焊器件要加強(qiáng)散熱來(lái)保證器件的可靠性，在圖8典型結(jié)構(gòu)上加上散熱板，其結(jié)構(gòu)形式如圖9和圖10，散熱板材料一般為鋁或銅，銅的密度大，但熱導(dǎo)熱高，材料特性值見(jiàn)表3。散熱板結(jié)構(gòu)可以為平板型和腔體型。散熱板通過(guò)界面導(dǎo)熱材料安裝在芯片背面，界面導(dǎo)熱材料有金屬類銦、導(dǎo)熱脂、導(dǎo)熱膠、導(dǎo)熱粘性模、相變導(dǎo)熱材料、導(dǎo)熱墊、導(dǎo)熱雙面膠等，根據(jù)具體應(yīng)用需求選擇相應(yīng)的材料。

圖9 平板型大功率非氣密性倒裝焊封裝結(jié)構(gòu)

5 氣密性倒裝焊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

氣密性封裝常采用低溫合金焊料熔封、平行縫焊、低溫玻璃熔封、貯能焊、激光焊或冷擠壓等，密封結(jié)構(gòu)、密封溫度能與倒裝焊器件相適應(yīng)的是低溫合金焊料熔封和平行縫焊；低溫玻璃在高溫下熔融并融合而形成密封，且密封溫度遠(yuǎn)高于Au80Sn20等合金焊料，不適用。

圖10 腔體型大功率非氣密性倒裝焊封裝結(jié)構(gòu)

表3 鋁和銅的材料特性

氣密性倒裝焊一般由外殼、芯片、蓋板及引腳（焊球、焊柱、針）組成，平行縫焊典型結(jié)構(gòu)如圖11，低溫合金焊料熔封典型結(jié)構(gòu)[3]如圖12。氣密性倒裝焊的外殼一般為無(wú)機(jī)材料，如LTCC、HTCC、AlN等。環(huán)框、蓋板選擇與陶瓷材料的熱膨脹系數(shù)接近的可代材料，引腳為高溫PbSn焊球和焊柱及可代的針。

圖11 平行縫焊氣密性倒裝焊典型結(jié)構(gòu)

圖12 低溫合金焊料熔封氣密性倒裝焊典型結(jié)構(gòu)

氣密性封裝后形成一個(gè)密閉性的腔體結(jié)構(gòu)，里面充滿惰性氣體或真空。對(duì)于大功率的倒裝焊器件，需要在腔體內(nèi)部建立起熱傳導(dǎo)通道才能保證器件的可靠性，典型的大功率氣密性倒裝焊封裝結(jié)構(gòu)如圖13。從結(jié)構(gòu)中可以看出，建立熱傳導(dǎo)通道是用導(dǎo)熱界面材料填滿芯片與蓋板之間的縫隙。熱傳導(dǎo)計(jì)算如公式（1）：

Q代表傳導(dǎo)的熱量，δ代表兩個(gè)界面之間的距離，從公式中可以看出，δ越小，傳導(dǎo)的熱量Q越大，因此盡可能減少涂覆界面材料的厚度，一般在60 μm左右，同時(shí)選擇熱導(dǎo)率高的界面材料有助于散熱。

圖13 大功率氣密性倒裝焊封裝結(jié)構(gòu)

在典型結(jié)構(gòu)上演變成幾種帶支架的結(jié)構(gòu)[4]，如圖14～圖16，支架可以焊接在蓋板或瓷體上，也可以與蓋板做成一體。這種支架結(jié)構(gòu)可以減少外力或熱脹冷縮效應(yīng)把導(dǎo)熱界面材料從芯片與蓋板之間擠出，從而防止芯片與蓋板出現(xiàn)空隙而影響熱傳導(dǎo)效應(yīng)，保證器件可靠性。

圖14 支架結(jié)構(gòu)一

圖15 支架結(jié)構(gòu)二

圖16 支架結(jié)構(gòu)三

6 結(jié)論

倒裝焊器件封裝結(jié)構(gòu)有多種多樣，主要根據(jù)頻率、密封性、功率等要求及應(yīng)用環(huán)境來(lái)選擇相應(yīng)的結(jié)構(gòu)：

（1）LTCC材料適合高頻、低功率、大面積的倒裝焊器件，AlN材料適合大功率的倒裝焊器件，HTCC是最常用的倒裝焊器件的材料。

（2）倒裝焊區(qū)金屬化材料、工藝及平面度等方面影響倒裝焊封裝結(jié)構(gòu)的可靠性。

（3）非氣密性倒裝焊封裝結(jié)構(gòu)主要由外殼、芯片及引腳（焊球、焊柱、針）組成，而大功率非氣密性倒裝焊封裝結(jié)構(gòu)是在低功率封裝結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上加上散熱板構(gòu)成的。

（4）氣密性倒裝焊封裝主要有平行縫焊和低溫合金熔焊，其結(jié)構(gòu)主要由外殼、芯片、蓋板及引腳（焊球、焊柱、針）組成。大功率氣密性倒裝焊封裝是在芯片與蓋板之間填滿導(dǎo)熱界面材料來(lái)建立熱傳導(dǎo)通道。

[1] 田民波.電子封裝工程[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[2] 楊平，沈才俊，等. 不同基板的CBGA焊點(diǎn)在熱循環(huán)下的力學(xué)特性研究[J]. 微電子學(xué)，2008，38（1）∶105-108.

[3] 李欣燕，李秀林，等. 倒扣焊器件的密封技術(shù)[J]. 電子與封裝, 2010, 10（9）∶ 1-5.

[4] Kevin G Bivona, Poughkeepsie, et al. Hermetic CBGA/CCGA structure with thermal paste cooling [P]. Patent number∶ 5990418.