文章來(lái)源：半導(dǎo)體全解

原文作者：圓圓De圓

芯片封裝作為設(shè)計(jì)和制造電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)之一日益受到半導(dǎo)體行業(yè)的關(guān)注和重視。本片講述了芯片封裝及底部填充(Underfill)技術(shù)。

一、什么是芯片封裝？

封裝的作用主要有保護(hù)電路免受外界環(huán)境的影響、避免噪聲信號(hào)的污染，屏蔽外場(chǎng)的串?dāng)_，支撐封裝體內(nèi)機(jī)械機(jī)構(gòu)、電氣互連，緩解封裝體內(nèi)部的機(jī)械應(yīng)力，提供從封裝體內(nèi)功率器件到外界環(huán)境的熱傳遞路徑，使芯片間的引線(xiàn)從封裝體牢固地引出而非直接裝配在基片上等功能。封裝技術(shù)的優(yōu)劣直接關(guān)系到芯片自身性能的發(fā)揮以及與芯片連接的PCB(印制電路板)的設(shè)計(jì)和制備，因此封裝是至關(guān)重要的。

高密度封裝應(yīng)半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)電子器件由二維(2D)平面堆集到沿Z方向的高密度集成，以緩解、延續(xù)或超越摩爾定律的發(fā)展。

二、摩爾定律及后摩爾時(shí)代

1965年，美國(guó)仙童半導(dǎo)體公司的Gordon Moore博士提出了著名的Moore定律：當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的元器件數(shù)目，每隔18-24個(gè)月就會(huì)增加一倍。

這一定律準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了過(guò)去五十年半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展。隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的不斷升級(jí)，半導(dǎo)體集成電路正在向超大規(guī)模、超高速、高密度、大功率方向發(fā)展，當(dāng)晶體管特征尺寸達(dá)到納米級(jí)后，進(jìn)一步減小晶體管尺寸無(wú)疑是困難且昂貴的，這也意味著摩爾定律接近尾聲。基于這種情況，業(yè)界提出了超越摩爾定律（More-Than-Moore，MTM），試圖從其它的一些途徑來(lái)延續(xù)摩爾定律的發(fā)展趨勢(shì)，并且從摩爾定律的“更多更快”，發(fā)展到MTM的“更好更全面”。如通過(guò)優(yōu)化晶體管的設(shè)計(jì)，尋找硅的替代品和發(fā)展先進(jìn)封裝技術(shù)等，使一塊集成電路芯片能夠同時(shí)具有多種功能，這不僅可以降低芯片的生產(chǎn)成本還能提高電路的等效集成度。其中先進(jìn)封裝技術(shù)的應(yīng)用無(wú)疑是后摩爾時(shí)代集成電路發(fā)展最有效的解決方法之一，特別是電子封裝維度從二維（2D）向三維（3D）發(fā)展，通過(guò)三維片上集成、硅通孔（TSV）芯片互連和三維封裝堆疊的形式，在晶體管特征尺寸不變的情況下，可以成倍的增加集成電路密度，從而更好的延續(xù)摩爾定律。

封裝的結(jié)構(gòu)方式包括引線(xiàn)鍵合(wire bonding，WB)、載帶自動(dòng)鍵合(Tape Automated Bonding)、倒裝芯片(flip chip,FC)、硅通孔技術(shù)(Through Silicon Via)等。

三、倒裝芯片(FC)底部填充的原因

電子封裝結(jié)構(gòu)也由雙列直插式封裝（Dualin-line package, DIP）、小外型封裝（Small out-line package, SOP）、四側(cè)引腳扁平封裝（Quad flat package, QFP）等傳統(tǒng)封裝形式向倒裝芯片（Flip-chip, FC）、倒裝芯片-球柵陣列（FC-BGA）、扇入型晶圓級(jí)封裝（Fan-inwafer level package, FIWLP）、扇出型晶圓級(jí)封裝（Fan-out wafer level package, FOWLP）、嵌入式芯片封裝（Embedded chip package, ECP）等先進(jìn)封裝形式發(fā)展。其中由FC與BGA技術(shù)融合而產(chǎn)生的FC-BGA封裝已成為廣泛采用的主流封裝技術(shù)之一。

但FC封裝中硅基芯片與高分子基封裝基板之間熱膨脹系數(shù)（Coefficient of Thermal Expansion, CTE）不匹配產(chǎn)生的熱應(yīng)力易造成焊點(diǎn)在熱載荷作用下過(guò)早產(chǎn)生疲勞斷裂乃至失效。1987年日本日立（Hitachi）公司Nakano首次提出在環(huán)氧樹(shù)脂中加入SiO2并將其填充在芯片與基板之間來(lái)提高焊點(diǎn)的疲勞壽命，這種填充樹(shù)脂后來(lái)逐漸發(fā)展成為底部填充膠（Underfill），也稱(chēng)為底部填充劑或底填膠等。

四、底部填充(Underfill)介紹

Underfill是指在集成電路芯片（Die）與芯片封裝基板（Substrate）或其它芯片亦或轉(zhuǎn)接板（Interposer）之間填充高分子（樹(shù)脂）基復(fù)合材料進(jìn)而提高封裝穩(wěn)定性的技術(shù)。

其中芯片與芯片或芯片與轉(zhuǎn)接板的連接主要用于系統(tǒng)級(jí)芯片（System on chip,SoC）或系統(tǒng)級(jí)封裝（System in package, SiP）等3D封裝中。

Underfill材料應(yīng)用的基本原理是通過(guò)其填充在芯片底部并經(jīng)加熱固化后形成牢固的粘接層和填充層，降低芯片與基板之間因熱膨脹系數(shù)差異所造成的熱應(yīng)力失配，提高器件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和可靠性，增強(qiáng)芯片和基板間的抗跌落性能。

Underfill材料主要由有機(jī)粘合劑、填料、固化劑、催化劑、偶聯(lián)劑、潤(rùn)濕劑、阻燃劑、消泡劑以及其它添加劑組成。其主要成分的常用材料及各成分發(fā)揮的作用見(jiàn)表：

五、不同底部填充(Underfill)技術(shù)

自u(píng)nderfill在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用以來(lái)，已經(jīng)發(fā)展出幾種典型的underfill，包括毛細(xì)流動(dòng)型底部填充膠（Capillary Underfill,CUF）、非流動(dòng)型底部填充膠（No-Flow Underfill,NUF）、晶圓級(jí)底部填充膠（Wafer-Level Underfill, WLUF）及模塑底部填充膠（Molded Underfill,MUF）。

每種underfill材料在應(yīng)用上都各有其優(yōu)缺點(diǎn)，所以在填充過(guò)程中要需要根據(jù)產(chǎn)品的特點(diǎn)和性能要求選用合適的underfill及相應(yīng)的填充工藝。

1）毛細(xì)流動(dòng)型底部填充膠（CUF）

CUF是最早出現(xiàn)的一類(lèi)underfill，它是利用毛細(xì)作用流動(dòng)填充芯片與底板間隙的一種低黏度填充膠。

CUF在FC封裝回流焊接后進(jìn)行填充固化，完整的工藝過(guò)程包括：助焊劑涂覆→芯片放置→加熱回流→助焊劑清理→流動(dòng)填充→加熱固化，如圖所示：

CUF是最早應(yīng)用于電子封裝的一種underfill。目前仍占據(jù)市場(chǎng)主流，應(yīng)用范圍很廣，幾乎面向各個(gè)層次的封裝，如FC、CSP、BGA封裝。但由于使用CUF時(shí)，工藝上多出了流動(dòng)填充和加熱固化的步驟，因而生產(chǎn)效率不高，另外毛細(xì)流動(dòng)通常較慢且不夠充分，從而導(dǎo)致固化后的underfill基體中出現(xiàn)空洞，還會(huì)出現(xiàn)填料在樹(shù)脂體系中分布不均的現(xiàn)象，隨著芯片尺寸的增大及焊點(diǎn)尺寸的減小，這種現(xiàn)象愈發(fā)嚴(yán)重。

2）非流動(dòng)型底部填充膠（NUF）

NUF是基于摩托羅拉（Motorola）公司于1992年發(fā)展的助焊劑和底部填充膠集成專(zhuān)利技術(shù)（Integrated flux and underfill）啟發(fā)而發(fā)展起來(lái)，NUF填充固化工藝比CUF要簡(jiǎn)單，主要包括：underfill涂覆→芯片放置→回流焊接和固化，如圖所示：

與CUF相比，NUF工藝步驟減少，生產(chǎn)效率高。實(shí)現(xiàn)NUF這種新填充工藝的兩個(gè)關(guān)鍵要素在于：潛性固化能力和固有助焊能力。NUF工藝的特性需要underfill有足夠的反應(yīng)潛伏期來(lái)保持低粘度，直至形成互連焊點(diǎn)。

由于NUF的固化和互連焊點(diǎn)的形成是在一個(gè)工序里完成，因此助焊劑是NUF中必不可少的成分。使用助焊劑是為了在回流過(guò)程中去除材料表面的氧化物，提高焊料的潤(rùn)濕性；同時(shí)，助焊劑在回流階段應(yīng)避免產(chǎn)生揮發(fā)性物質(zhì)，保證填充穩(wěn)定性。

NUF幾乎可用于所有封裝層次，由于NUF將傳統(tǒng)underfill底部填充工藝上的流動(dòng)填充、助焊劑涂覆清理、焊料回流、underfill固化簡(jiǎn)化成一個(gè)工藝步驟，大大提高了生產(chǎn)效率；但由于NUF填料少、熱膨脹系數(shù)比較高，固化物常有氣泡和空洞等問(wèn)題，其尚未成為市場(chǎng)主流產(chǎn)品。

3）晶圓級(jí)底部填充膠（WLUF）

由于NUF工藝需要先在基板上涂敷underfill，這與表面貼裝技術(shù)（Surface Mounted Technology, SMT）并不完全兼容。針對(duì)此問(wèn)題后來(lái)發(fā)展出了與SMT兼容的WLUF工藝，該工藝以其低成本、高可靠性而獲得了成功應(yīng)用。

WLUF工藝首先在有凸點(diǎn)或無(wú)凸點(diǎn)的晶圓片上采用印制或涂敷添加一層underfill，然后進(jìn)行部分固化。對(duì)于尚未制作凸點(diǎn)的晶圓，則需在劃片前制作凸點(diǎn)，然后再進(jìn)行劃片。每單個(gè)芯片均可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的SMT工藝實(shí)現(xiàn)與基板的互連，工藝流程如圖所示。

與NUF相同，WLUF也要求含有適當(dāng)?shù)闹竸盍虾亢苌偕踔翛](méi)有，以達(dá)到100%的焊點(diǎn)連通率。此外，WLUF固化物需要一定的透明度以防晶圓的切割線(xiàn)模糊不清；WLUF需要良好的激光可加工性，便于劃片切割和打孔；此外，WLUF需要有低的介電常數(shù)和熱膨脹系數(shù)來(lái)更好地實(shí)現(xiàn)應(yīng)力均勻分布。

由于WLUF在芯片放置之前就已經(jīng)將部分固化的WLUF預(yù)涂覆在裸芯片上，完全適用于標(biāo)準(zhǔn)FC設(shè)備，大大提高了生產(chǎn)效率。但由于幾乎不含填料，還需要解決WLUF熱疲勞穩(wěn)定性問(wèn)題。由于工藝過(guò)程的限制，WLUF只適用于FC封裝。

4）模塑底部填充膠（MUF）

MUF是可以向模具直接注入，將包括芯片和底板間隙的整個(gè)器件進(jìn)行封裝保護(hù)的一種underfill材料。MUF直接將底部填充和二次成型（Over molding）封裝在一個(gè)工藝步驟里完成，可降低成本，大大提高生產(chǎn)效率。MUF不僅填充芯片與基板之間的間隙，同時(shí)還包覆整個(gè)芯片并提高了器件力學(xué)穩(wěn)定性。

MUF特別適用于倒裝芯片封裝，能夠提高生產(chǎn)效率。據(jù)報(bào)道，MUF工藝可將傳統(tǒng)底部填充工藝的生產(chǎn)效率提高4倍。

MUF工藝在模具設(shè)計(jì)和工藝方面與增壓底部填充類(lèi)似，只是前者采用的不是只填充芯片與基板間隙的液態(tài)密封劑，而是包封整個(gè)器件的模塑化合物。

下圖所示為CUF與MUF工藝過(guò)程對(duì)比以及常見(jiàn)的FC-BGA封裝采用MFU工藝的模具設(shè)計(jì)。

MUF封裝技術(shù)將注塑工藝和underfill相結(jié)合，可大大提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，同時(shí)可顯著提高封裝器件的可靠性；MUF可以對(duì)許多小的間隙進(jìn)行填充，特別是小芯片微小間距時(shí)，填充效果好，有利于電子產(chǎn)品微型化和多功能化；MUF模具填充最小間隙高度可達(dá)40um；但MUF的可返修性差。MUF一般適合FC、CSP層次的單個(gè)或多個(gè)芯片的封裝。