文章來源：學習那些事

原文作者：前路漫漫

本文介紹了倒裝芯片鍵合技術的特點和實現過程以及詳細工藝等。

倒裝芯片概述

倒裝芯片鍵合（FCB）與倒裝芯片技術（Flip Chip）本質上均指芯片以面朝下方式，通過凸點陣列結構與基板焊區直接互連的工藝。將芯片采用引線鍵合的方式與基板互連時，芯片的面是朝上的，這通常認為是正裝形式。與引線鍵合（WB）、載帶自動鍵合（TAB）形成鮮明差異：其省略了傳統互連線，大幅降低互連電容與電感，尤其契合高頻高速電子產品需求；同時憑借更小的基板占用面積，顯著提升芯片安裝密度，成為大規模集成電路（LSIC）、超大規模集成電路（VLSIC）及專用集成電路（ASIC）的優選方案。 FCB技術的突出優勢在于芯片安裝與互連同步完成，極大簡化工藝流程，適配現代化SMT產線的大規模生產需求。相較于正裝芯片（采用引線鍵合時芯片面朝上），倒裝芯片以“面朝下”的倒裝形式實現互連，在尺寸、可靠性、成本及柔性等維度展現顯著優勢。FCB技術芯片的安裝、互連是同時完成的，這就大幅度簡化了安裝的互連工藝，快速、省時，適于使用現代化的SMT進行工業化大批量生產。

FCB也有不足之處，如芯片面朝下安裝互連對工藝操作帶來了一定的難度，焊點不能直觀檢查（只能使用紅外線和X射線檢查）。另外，芯片焊區上一般要制作凸點，增加了芯片的制作工藝流程和成本。同時由于互連材料間熱膨脹系數所導致的熱應力問題目前也未能解決。但隨著應用的日益廣泛，工藝技術和可靠性研究的不斷深入，FCB存在的問題正逐一得到解決倒裝芯片技術作為一種晶圓級面陣列封裝工藝，其芯片的I/O接口通過面陣列凸點結構實現，具備極高的封裝密度。這種面陣列封裝技術堪稱SMT技術之后封裝領域的又一重大革新，有力推動了高性能移動終端及個人電子產品的大規模普及。

FCB目前仍存在以下不足之處：

1.工藝操作與檢測難度高：芯片面朝下倒裝的安裝方式對操作精度要求嚴苛，需借助高精度設備完成微米級對準；焊點因被芯片覆蓋無法直接目視檢測，依賴紅外線或X射線等非接觸手段，檢測成本高且效率受限。

2.制造成本增加：芯片焊區需預先制作凸點（如金凸點、銅凸點），額外引入光刻、電鍍等多道工藝，顯著延長芯片制造周期并推高生產成本。

3.熱應力問題突出：芯片、凸點材料與基板間熱膨脹系數（CTE）失配引發顯著熱應力，尤其在寬禁帶半導體器件200℃+的高溫工況下，焊點易因疲勞開裂，導致長期可靠性下降，目前尚未形成徹底解決方案。

伴隨FCB技術在消費電子、通信等領域的滲透率提升，圍繞工藝優化與可靠性強化的研究持續推進。近年來，新型檢測技術、材料創新及工藝改進方案的涌現，正逐步突破上述技術瓶頸，推動FCB向更高成熟度發展。

倒裝芯片封裝結構示意圖

技術特性解析

微型化優勢：IC引腳尺寸顯著縮小，僅為傳統扁平封裝的5%，有效降低封裝體積與重量。

性能優化：短互連路徑降低電感、電阻與電容效應，減少信號延遲，提升高頻性能；芯片背面散熱通道設計增強熱管理能力。

功能集成升級：面陣列布局大幅提升I/O端口數量，支持信號、功率及電源的高密度互連，單芯片凸點可達400個。

可靠性保障：大尺寸芯片通過環氧樹脂底部填充工藝加固，互連引腳數減少約66%。

高效散熱：無塑封結構使芯片背面可直接進行冷卻處理。

成本優勢：晶圓級凸點批量制備技術顯著壓縮生產成本。

工藝兼容性：與表面貼裝技術無縫銜接，可同步完成芯片貼裝與電氣連接。

截至目前倒裝芯片已改善了部分之前存在的難題：

裸芯片測試：隨著測試技術的發展，如基于邊界掃描技術、內建自測試技術等的不斷改進和完善，裸芯片測試的覆蓋率和準確性有所提高，測試難度有所降低。

凸點芯片適應性：材料科學的進步以及工藝優化，使得凸點芯片在不同類型的芯片和基板上的適應性有所增強，可適用的場景有所增加。

組裝精度：高精度的對準設備和先進的視覺識別系統等技術不斷發展，倒裝芯片組裝精度得到了顯著提升，能夠滿足更高要求的生產需求。

但仍存在部分亟待解決的難題：

對PCB技術的要求：盡管PCB技術在不斷進步，但隨著倒裝芯片引腳間距持續縮小和引腳數增多，對PCB的制造精度、布線密度、層間對準等方面的要求也在同步提高，仍然是一個挑戰。例如，在制造高精度PCB時，需要更先進的光刻技術、蝕刻工藝等來確保線路的精度和可靠性。

焊點檢測：目前仍然依賴X射線檢測設備來檢測不可見的焊點，雖然設備的性能在不斷提升，但這種檢測方法成本較高、檢測速度相對較慢，且對于一些微小的焊點缺陷可能存在檢測不出來的情況。

底部填充固化時間：底部填充工藝中，固化時間仍然是一個關鍵問題。為了保證填充效果和封裝質量，需要嚴格控制固化時間和溫度等參數，這在一定程度上影響了生產效率，尤其是對于大規模生產來說，如何在保證質量的前提下縮短固化時間仍是需要解決的問題。

維修困難：由于倒裝芯片封裝后芯片與基板之間是直接連接，且結構較為復雜，一旦出現問題，維修或更換芯片的難度依然很大，成本也很高，在一些情況下甚至難以實現維修。

實現過程

1.芯片凸點制備技術

芯片凸點除實現芯片與基板電氣連接外，還具備多重功能：在芯片與載帶間構建物理間隔，規避引線短路風險；覆蓋芯片鋁（Al）焊盤，隔絕外界腐蝕與污染；作為鍵合過程中可變形的應力緩沖結構。凸點構造如下圖所示：

倒裝芯片凸點互連結構示意圖

其制備需先在芯片I/O金屬化層上沉積凸點下金屬層（UBM），典型結構由三層構成：

1）黏附層：需與鋁、硅基底及鈍化層強粘附，確保歐姆接觸并匹配熱膨脹系數，常用材料包括Cr、Ti、V、TiW等；

2）擴散阻擋層：旨在阻斷釬料與金（或鋁）、硅材料間的互擴散，Ni、Cu、Pd、Pt等金屬為常見選擇；

3）浸潤層：要求與凸點材料良好浸潤，避免生成有害金屬間化合物，并保護下層金屬抗氧化，通常采用超薄Au膜或合金層。

因單一材料難以同時滿足三層功能需求，UBM普遍采用多層金屬復合結構。凸點材料則依應用場景選用不同軟釬料體系。

2. 基板金屬焊區構建

實現倒裝芯片（FC）與基板可靠互連的核心，在于基板焊區需與芯片凸點精準對位，并具備優異的壓焊或釬焊兼容性。適配FCB的基板類型涵蓋陶瓷、硅基片及環氧樹脂基印制電路板（PCB）。基板金屬層材料包括Ag、Pd、Au、Cu（厚膜工藝）及Au、Ni、Cu（薄膜工藝）。

薄膜陶瓷基板的金屬化通過“蒸發/濺射—光刻—電鍍”工藝完成，可實現10μm級線寬圖形；而厚膜工藝僅適用于凸點尺寸及間距較大的場景。為兼容全類型凸點芯片，常采用厚膜/薄膜混合布線，并在基板頂層部署薄膜金屬化工藝。

傳統PCB金屬化多針對表面組裝器件（SMD），線寬與間距達數百微米。伴隨PCB布線密度與SMD集成度提升，多層PCB在材料、設計及制造技術上持續革新，同步推動FCB凸點芯片在PCB應用中的動態力學分析精度升級。

倒裝芯片互連工藝技術解析

倒裝焊接主流技術路徑包括：熱壓倒裝焊、再流倒裝焊及熱超聲倒裝焊三類工藝。

熱壓倒裝焊：通過加熱與壓力使凸點與焊區直接鍵合；

再流倒裝焊：利用釬料熔點特性，經加熱熔化實現互連；

熱超聲倒裝焊：結合熱能、壓力與超聲振動促進界面原子擴散。

各工藝在鍵合效率、可靠性及適用材料上存在差異，需依芯片特性與應用場景優化選擇。

熱壓熱聲倒裝焊是一種用于硬凸點倒裝焊的技術，可通過倒裝焊機完成對金凸點、鎳/金凸點、銅凸點等硬凸點的焊接。以下是其詳細介紹：

1.熱壓倒裝焊

熱壓倒裝焊依托高精度倒裝焊接設備，該系統集成光學攝像對位、撿拾熱壓超聲焊頭、精確定位承片臺及實時監控顯示屏四大核心模塊。操作時，先將FCB基板固定于承片臺，焊頭拾取帶有金凸點、鎳/金凸點或銅凸點的芯片，使其面朝下對準基板。雙路光學系統同步捕捉芯片凸點陣列與基板焊區影像，經亞微米級校準后，加熱超聲復合焊頭與半溫承片臺協同作用，通過精準調控溫度、壓力及超聲參數（依凸點材質與尺寸動態調整），在設定時間內完成全凸點冶金鍵合。需強調，該工藝對芯片-基板平行度要求嚴苛，偏差超5μm即可能引發凸點變形不均，導致焊點抗拉強度離散，影響互連可靠性。

2.熱超聲倒裝焊

源于引線鍵合的熱超聲倒裝焊，以技術簡易、焊接高效及無鉛環保特性，成為FCB領域的潛力工藝。其流程涵蓋三階段：

1).凸點制備：于晶圓完成IC制程后，經引線鍵合設備在I/O端口植入微金球或銅柱凸點；

2).基板預處理：選用陶瓷/鋁基材料制作適配基板，表面鍍覆特殊金屬焊盤（如Ni/Au層）提升熱可靠性；

3).倒裝焊接：借專用焊機實現芯片與基板熱壓超聲互連。

盡管該技術已驗證工業可行性，仍面臨多重挑戰：壓力波動導致焊點強度不穩、超聲振動易引發芯片偏移、焊頭拾取精度不足及熱穩定性欠佳等問題，尤其在高I/O密度場景下，端口數量受限與間距瓶頸凸顯。未來需在工藝參數協同控制、設備精度升級及材料界面優化等方向突破，以適配先進封裝對高密度、高可靠互連的需求。

倒裝芯片熱壓鍵合原理

3.再流倒裝焊

對于具備釬料凸點的倒裝芯片，再流焊接是實現其與基板焊盤互連的主流工藝，其中典型技術為可控塌陷芯片互連（Controlled Collapse Chip Connection，簡稱C4)。如下圖所示

C4倒裝焊

該工藝亦包括在基板金屬焊盤預涂低熔點釬料膏的方案，將芯片與焊盤精準對位后執行低溫回流，此過程中芯片的高溫凸點保持固態。

回流焊接時，芯片呈現獨特的“自對中”效應。其原理基于液態釬料的表面張力特性：當釬料凸點與基板焊盤的潤濕面存在偏移時，表面張力失衡產生的合力將驅動芯片自動調整位置，直至兩表面中心重合。這一特性顯著降低了鍵合過程對初始對位精度的要求——實際操作中，僅需確保凸點與焊盤接觸，經回流即可實現芯片與基板的精準自校準。該機制有效簡化了倒裝芯片的裝配流程，成為高密度封裝領域的關鍵技術支撐。

4.各向同性導電膠倒裝互連技術

各向同性導電膠（ICA）倒裝互連通過導電膠實現芯片凸點與基板焊盤的電氣連接。其核心材料由環氧樹脂基體與導電粉末復合而成，常見導電填料包括銀粉、銅粉等。工藝中可依據需求選擇多元固化方式：熱固化（80-150℃）通過加熱激活交聯反應；光固化借助紫外光引發自由基聚合；微波固化則利用高頻電磁波實現快速內部加熱。該技術與傳統倒裝焊存在本質差異：ICA固化后憑借黏結力構建機械接觸式連接，而非冶金焊接。工藝流程涵蓋膠層涂覆、芯片貼裝、固化成型三大環節，相較傳統工藝具備顯著成本優勢——無需高精度焊接設備，且120℃以下的低溫固化特性適配熱敏材料。此技術在智能卡、醫療傳感器等對成本敏感的領域持續占據市場份額。

5.各向異性導電膠倒裝互連技術

各向異性導電膠（ACA）及導電膠膜（ACF）體系由高分子聚合物（環氧樹脂、聚酰亞胺等）與離散分布的球形導電顆粒構成。其中，ACF薄膜形態因預成型、易操作特性，成為高密度互連的主流選擇。互連機制基于壓力誘導的導電通路形成：芯片與基板間的ACA經熱壓處理（典型參數：150-200℃、5-10MPa），受壓導電粒子（粒徑約5-10μm）在Z軸方向發生塑性變形，貫通上下凸點實現垂直導電；而X-Y平面因粒子間距保持絕緣，從而達成各向異性導電。該技術憑借≤50μm的超細間距能力，廣泛應用于手機顯示驅動芯片、柔性電路板封裝等場景。

6.芯片直接安裝（DCA）工藝

DCA作為類C4倒裝技術，專注于超精細間距（<1mm）芯片的焊接需求。其核心特征體現在材料與工藝適配：芯片側采用高鉛焊球（97Pb-3%Sn），而PCB基板焊盤預鍍共晶釬料（37Pb-63%Sn）。鑒于焊球尺寸（厚度約30-50μm）與間距精度要求，傳統錫膏印刷工藝失效，需采用電鍍預鍍與焊球頂端平整化處理。??

當前DCA技術雖處于產業化深化階段，但已在特定領域形成突破：電路模擬芯片與無源集成芯片的批量應用驗證了其工藝可行性。依托現有SMT設備兼容性，DCA在便攜式電子產品領域展現出顯著優勢——通過簡化封裝流程，有效降低整機厚度與重量，契合穿戴設備、超薄手機等產品的微型化趨勢。

后三種工藝雖不屬于主流工藝但也有各自優勢與應用：ICA以低成本與簡易性立足中低端應用；ACA憑借各向異性導電特性主導高密度封裝；DCA則通過工藝創新填補超精細間距領域的技術空白，共同構成倒裝芯片互連的多元化解決方案。

底部填充與固化

增強倒裝芯片可靠性

倒裝芯片互連完成后，凸點陣列作為主要連接媒介，其有效支撐面積遠小于芯片實際表面積，導致界面結合強度存在天然短板。當系統遭遇機械沖擊或因芯片與基板熱膨脹系數失配（如硅芯片CTE 2.6ppm/℃ vs 環氧樹脂基板CTE 15-25ppm/℃），凸點根部易形成應力集中區域。

研究表明，在-40℃至125℃溫度循環測試中，未填充的倒裝芯片焊點應力峰值可達80MPa，顯著超出焊料疲勞極限，致使互連失效風險激增。為突破這一可靠性瓶頸，底部填充與固化工藝應運而生。該技術通過在芯片與基板的微米級間隙（通常50-150μm）注入高流動性有機膠，經熱固化（80-150℃）或紫外光固化（UV，波長365nm）形成致密支撐層。其作用機制呈現雙重效應：其一，膠層橫向擴展將界面連接面積擴大3-5倍，依據剪切強度測試數據，填充后芯片拉脫力可提升至未填充狀態的4-6倍；其二，膠層包裹凸點根部形成應力緩沖結構，有限元分析顯示，底部填充可使焊點應力集中系數降低60%-70%，有效抑制裂紋萌生與擴展。

工藝實施層面，主流采用流動注入法：借助毛細作用驅動填充膠沿芯片邊緣滲入間隙，該方法需控制膠液黏度（100-500mPa·s）與基板傾角（5°-15°）以確保填充均勻性。

近年來，非流動（No-Flow）工藝嶄露頭角，其創新地將釬劑、黏接劑與填充材料集成于一體，在焊接過程中同步完成互連、填充與固化。此技術通過優化材料配方（如添加納米級二氧化硅填料提升模量），使工藝步驟縮減40%，但對焊接溫度曲線與材料兼容性提出更高要求。

兩種工藝在消費電子、汽車電子等領域形成互補應用——流動注入法適用于高精度芯片，非流動工藝則憑借高效性在規模化生產中占據優勢。