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，又是一種理想的芯片粘接技術．早在30年前IBM公司已研發使用了這項技術。但直到近幾年來，Flip-Chip已成為高端器件及高密度封裝領域中經常采用的封裝形式。今天，Flip-Chip封裝技術的應用范圍日益廣泛，封裝形式更趨多樣化，對Flip-Chip封裝技術的要求也隨之提高。同時，Flip-Chip也向制造者提出了一系列新的嚴峻挑戰，為這項復雜的技術提供封裝，組裝及測試的可靠支持。以往的一級封閉技術都是將芯片的有源區面朝上，背對基板和貼后鍵合，如引線健合和載帶自動健全（ＴＡＢ）。ＦＣ則將芯片有源區面對基板，通過芯片上呈陣列排列的焊料凸點實現芯片與襯底的互連．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中，倒裝芯片可以達到最小、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，據稱能提高封裝成品率（沒有查到具體數據是多少）。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象。FC-BGA封裝共使用了479個直徑僅為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，因為芯片的引腳是由中心方向引出的，和基板距離縮短，因此干擾少，電信號傳遞更快速穩定而純凈，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。當然嘍，成本方面，FC-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到的頻率理論值：

* 頻率和晶體管數目/功耗等密切相關，以上注明的頻率均針對VPU

??? 我們看到，FC-BGA封裝的理論極限大概是Wirbond的1.45倍！

　普通版本的FX5600XT核心的售價是47美圓，FC-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，然后將芯片翻轉佳熱利用熔融的錫鉛球與陶瓷機板相結合此技術替換常規打線接合，逐漸成為未來的封裝主流，當前主要應用于高時脈的CPU、GPU(GraphicProcessor Unit)及Chipset 等產品為主。與COB相比，該封裝形式的芯片結構和I/O端（錫球）方向朝下，由于I/O引出端分布于整個芯片表面，故在封裝密度和處理速度上Flip chip已達到頂峰，特別是它可以采用類似SMT技術的手段來加工，因此是芯片封裝技術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先分布有鍍Au或Sn的連接盤，然后進行Ｃ４形式的倒裝片連接。Ｃ４連接的優點在于：

１）具有優良的電性能和熱特性

２）在中等焊球間距的情況下，Ｉ／Ｏ數可以很高３）不受焊盤尺寸的限制

４）可以適于批量生產

５）可大大減小尺寸和重量

ＤＣＡ和Ｃ４類似是一種超細間距連接。ＤＣＡ的硅片和Ｃ４連接中的硅片結構相同，兩者之間的唯一區別在于基材的選擇。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格，通常要比其它超細間距元件所用的焊料多。在連接焊盤上0.051、0.102mm厚的焊料由于是預鍍的，一般略呈圓頂狀，必須要在貼片前整平，否則會影響焊球和焊盤的可靠對位。

ＦＣＡＡ連接存在多種形式，當前仍處于初期開發階段。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等結構。ＦＣＡＡ所用的膠包括各向同性和各向異性等多種類型，主要取決于實際應用中的連接狀況，另外，基材的選用通常有陶瓷，印刷板材料和柔性電路板。倒裝芯片技術是當今最先進的微電子封裝技術之一。它將電路組裝密度提升到了一個新高度，隨著２１世紀電子產品體積的進一步縮小，倒裝芯片的應用將會越來越廣泛。

Flip-Chip封裝技術與傳統的引線鍵合工藝相比具有許多明顯的優點,包括,優越的電學及熱學性能,高I/O引腳數，封裝尺寸減小等。

Flip-Chip封裝技術的熱學性能明顯優越于常規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（最大結溫），環境溫度及空氣流量，封裝參數（如使用外裝熱沉，封裝及尺寸，基板層數，球引腳數）等，相比之下，Flip-Chip封裝通常能產生25W耗散功率。

Flip-Chip封裝杰出的熱學性能是由低熱阻的散熱盤及結構決定的。芯片產生的熱量通過散熱球腳，內部及外部的熱沉實現熱量耗散。散熱盤與芯片面的緊密接觸得到低的結溫（θjc）。為減少散熱盤與芯片間的熱阻，在兩者之間使用高導熱膠體。使得封裝內熱量更容易耗散。為更進一步改進散熱性能，外部熱沉可直接安裝在散熱盤上，以獲得封裝低的結溫（θjc）。

Flip-Chip封裝另一個重要優點是電學性能。引線鍵合工藝已成為高頻及某些應用的瓶頸，使用Flip-Chip封裝技術改進了電學性能。如今許多電子器件工作在高頻，因此信號的完整性是一個重要因素。在過去，2-3GHZ是IC封裝的頻率上限，Flip-Chip封裝根據使用的基板技術可高達10-40 GHZ 。

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