倒裝焊芯片(Flip-Chip)是什么意思
倒裝焊芯片(Flip-Chip)是什么意思
Flip Chip既是一種芯片互連技術(shù),又是一種理想的芯片粘接技術(shù).早在30年前IBM公司已研發(fā)使用了這項(xiàng)技術(shù)。但直到近幾年來,F(xiàn)lip-Chip已成為高端器件及高密度封裝領(lǐng)域中經(jīng)常采用的封裝形式。今天,F(xiàn)lip-Chip封裝技術(shù)的應(yīng)用范圍日益廣泛,封裝形式更趨多樣化,對(duì)Flip-Chip封裝技術(shù)的要求也隨之提高。同時(shí),F(xiàn)lip-Chip也向制造者提出了一系列新的嚴(yán)峻挑戰(zhàn),為這項(xiàng)復(fù)雜的技術(shù)提供封裝,組裝及測試的可靠支持。以往的一級(jí)封閉技術(shù)都是將芯片的有源區(qū)面朝上,背對(duì)基板和貼后鍵合,如引線健合和載帶自動(dòng)健全(TAB)。FC則將芯片有源區(qū)面對(duì)基板,通過芯片上呈陣列排列的焊料凸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)芯片與襯底的互連.硅片直接以倒扣方式安裝到PCB從硅片向四周引出I/O,互聯(lián)的長度大大縮短,減小了RC延遲,有效地提高了電性能.顯然,這種芯片互連方式能提供更高的I/O密度.倒裝占有面積幾乎與芯片大小一致.在所有表面安裝技術(shù)中,倒裝芯片可以達(dá)到最小、最薄的封裝。
而FC-BGA(Flip Chip Ball Grid Array:倒裝芯片球柵格陣列)是一種較新的支持表明安裝板的封裝形式,采用C4可控塌陷芯片法焊接,大幅度改善電器性能,據(jù)稱能提高封裝成品率(沒有查到具體數(shù)據(jù)是多少)。這種封裝允許直接連接到底層,具體來說由倒裝在元件底部上的硅核組成,使用金屬球代替原先的針腳來連接處理器,如果把焊接比喻成縫衣的話,那么這種焊接方式可以讓針腳均勻一致,連接距離更短引腳間距增大,避免了虛焊和針腳彎曲彎曲現(xiàn)象。FC-BGA封裝共使用了479個(gè)直徑僅為0.78毫米的封裝球使得封裝高度大為減小,怎么樣,“針腳”的確夠小吧?采用這種工藝帶來的好處也是很明顯的:那就是可以大大減小芯片封裝后的尺寸(核心/封裝比可做到1:1.5)令核心外露,熱傳導(dǎo)效率增加,毫無疑問,這種工藝非常適合高速芯片的封裝。除此以外,因?yàn)樾酒囊_是由中心方向引出的,和基板距離縮短,因此干擾少,電信號(hào)傳遞更快速穩(wěn)定而純凈,十分有助于超頻。目前***主要的封裝廠如全懋、日月光、景碩、南亞等都有能力做FC-BGA封裝。當(dāng)然嘍,成本方面,F(xiàn)C-BGA比Wirebond封裝要貴上許多(2.5美圓VS1美圓)!下面就是兩種封裝能達(dá)到的頻率理論值:
封裝形式 | Wirbond | FC-BGA |
理論極限頻率* | 400MHz | 580MHz |
* 頻率和晶體管數(shù)目/功耗等密切相關(guān),以上注明的頻率均針對(duì)VPU
??? 我們看到,F(xiàn)C-BGA封裝的理論極限大概是Wirbond的1.45倍!
普通版本的FX5600XT核心的售價(jià)是47美圓,F(xiàn)C-BGA封裝的VPU要貴近20美圓,出貨量之比是100:1,十分稀少。
Flip chip又稱倒裝片,是在I/O pad上沉積錫鉛球,然后將芯片翻轉(zhuǎn)佳熱利用熔融的錫鉛球與陶瓷機(jī)板相結(jié)合此技術(shù)替換常規(guī)打線接合,逐漸成為未來的封裝主流,當(dāng)前主要應(yīng)用于高時(shí)脈的CPU、GPU(GraphicProcessor Unit)及Chipset 等產(chǎn)品為主。與COB相比,該封裝形式的芯片結(jié)構(gòu)和I/O端(錫球)方向朝下,由于I/O引出端分布于整個(gè)芯片表面,故在封裝密度和處理速度上Flip chip已達(dá)到頂峰,特別是它可以采用類似SMT技術(shù)的手段來加工,因此是芯片封裝技術(shù)及高密度安裝的最終方向。
倒裝片連接有三種主要類型C4(Controlled Collapse Chip Connection)、DCA(Direct chip attach)和FCAA(Flip Chip Adhesive Attachement)。
C4是類似超細(xì)間距BGA的一種形式與硅片連接的焊球陣列一般的間距為0.23、 0.254mm。焊球直徑為0.102、0.127mm。焊球組份為97Pb/3Sn。這些焊球在硅片上可以呈完全分布或部分分布。
由于陶瓷可以承受較高的回流溫度,因此陶瓷被用來作為C4連接的基材,通常是在陶瓷的表面上預(yù)先分布有鍍Au或Sn的連接盤,然后進(jìn)行C4形式的倒裝片連接。C4連接的優(yōu)點(diǎn)在于:
1)具有優(yōu)良的電性能和熱特性
2)在中等焊球間距的情況下,I/O數(shù)可以很高3)不受焊盤尺寸的限制
4)可以適于批量生產(chǎn)
5)可大大減小尺寸和重量
DCA和C4類似是一種超細(xì)間距連接。DCA的硅片和C4連接中的硅片結(jié)構(gòu)相同,兩者之間的唯一區(qū)別在于基材的選擇。DCA采用的基材是典型的印制材料。DCA的焊球組份是97Pb/Sn,連接焊接盤上的焊料是共晶焊料(37Pb/63Sn)。對(duì)于DCA由于間距僅為0.203、0.254mm共晶焊料漏印到連接焊盤上相當(dāng)困難,所以取代焊膏漏印這種方式,在組裝前給連接焊盤頂鍍上鉛錫焊料,焊盤上的焊料體積要求十分嚴(yán)格,通常要比其它超細(xì)間距元件所用的焊料多。在連接焊盤上0.051、0.102mm厚的焊料由于是預(yù)鍍的,一般略呈圓頂狀,必須要在貼片前整平,否則會(huì)影響焊球和焊盤的可靠對(duì)位。
FCAA連接存在多種形式,當(dāng)前仍處于初期開發(fā)階段。硅片與基材之間的連接不采用焊料,而是用膠來代替。這種連接中的硅片底部可以有焊球,也可以采用焊料凸點(diǎn)等結(jié)構(gòu)。FCAA所用的膠包括各向同性和各向異性等多種類型,主要取決于實(shí)際應(yīng)用中的連接狀況,另外,基材的選用通常有陶瓷,印刷板材料和柔性電路板。倒裝芯片技術(shù)是當(dāng)今最先進(jìn)的微電子封裝技術(shù)之一。它將電路組裝密度提升到了一個(gè)新高度,隨著21世紀(jì)電子產(chǎn)品體積的進(jìn)一步縮小,倒裝芯片的應(yīng)用將會(huì)越來越廣泛。
Flip-Chip封裝技術(shù)與傳統(tǒng)的引線鍵合工藝相比具有許多明顯的優(yōu)點(diǎn),包括,優(yōu)越的電學(xué)及熱學(xué)性能,高I/O引腳數(shù),封裝尺寸減小等。
Flip-Chip封裝技術(shù)的熱學(xué)性能明顯優(yōu)越于常規(guī)使用的引線鍵合工藝。如今許多電子器件;ASIC,微處理器,SOC等封裝耗散功率10-25W,甚至更大。而增強(qiáng)散熱型引線鍵合的BGA器件的耗散功率僅5-10W。按照工作條件,散熱要求(最大結(jié)溫),環(huán)境溫度及空氣流量,封裝參數(shù)(如使用外裝熱沉,封裝及尺寸,基板層數(shù),球引腳數(shù))等,相比之下,F(xiàn)lip-Chip封裝通常能產(chǎn)生25W耗散功率。
Flip-Chip封裝杰出的熱學(xué)性能是由低熱阻的散熱盤及結(jié)構(gòu)決定的。芯片產(chǎn)生的熱量通過散熱球腳,內(nèi)部及外部的熱沉實(shí)現(xiàn)熱量耗散。散熱盤與芯片面的緊密接觸得到低的結(jié)溫(θjc)。為減少散熱盤與芯片間的熱阻,在兩者之間使用高導(dǎo)熱膠體。使得封裝內(nèi)熱量更容易耗散。為更進(jìn)一步改進(jìn)散熱性能,外部熱沉可直接安裝在散熱盤上,以獲得封裝低的結(jié)溫(θjc)。
Flip-Chip封裝另一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是電學(xué)性能。引線鍵合工藝已成為高頻及某些應(yīng)用的瓶頸,使用Flip-Chip封裝技術(shù)改進(jìn)了電學(xué)性能。如今許多電子器件工作在高頻,因此信號(hào)的完整性是一個(gè)重要因素。在過去,2-3GHZ是IC封裝的頻率上限,F(xiàn)lip-Chip封裝根據(jù)使用的基板技術(shù)可高達(dá)10-40 GHZ 。
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