倒裝晶元

起源於60年代，由IBM率先研發出，具體原理是在I/Opad上沉積錫鉛球，然後將晶元翻轉加熱利用熔融的錫鉛球與陶瓷板相結合，此技術已替換常規的打線接合，逐漸成為未來封裝潮流。Flip Chip既是一種晶元互連技術，又是一種理想的晶元粘接技術．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採用的封裝形式。今天，Flip-Chip封裝技術的應用範圍日益廣泛，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也向製造者提出了一系列新的嚴峻挑戰，為這項複雜的技術提供封裝，組裝及測試的可靠支持。以往的一級封閉技術都是將晶元的有源區面朝上，背對基板和貼后鍵合，如引線健合和載帶自動健全（TAB）。FC則將晶元有源區面對基板，通過晶元上呈陣列排列的焊料凸點實現晶元與襯底的互連．矽片直接以倒扣方式安裝到PCB從矽片向四周引出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，這種晶元互連方式能提供更高的I/O密度．倒裝佔有面積幾乎與晶元大小一致．在所有表面安裝技術中，倒裝晶元可以達到最小、最薄的封裝。

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於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封裝傑出的熱學性能是由低熱阻的散熱盤及結構決定的。晶元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。散熱盤與晶元面的緊密接觸得到低的結溫（θjc）。為減少散熱盤與晶元間的熱阻，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。

Flip chip又稱倒裝片，是在I/O pad上沉積錫鉛球，然後將晶元翻轉加熱利用熔融的錫鉛球與陶瓷基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，當前主要應用於高時脈的CPU、GPU(GraphicProcessor Unit)及Chipset 等產品為主。與COB相比，該封裝形式的晶元結構和I/O端（錫球）方向朝下，由於I/O引出端分佈於整個晶元表面，故在封裝密度和處理速度上Flip chip已達到頂峰，特別是它可以採用類似SMT技術的手段來加工，因此是晶元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的一種形式與矽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。這些焊球在矽片上可以呈完全分佈或部分分佈。

由於陶瓷可以承受較高的迴流溫度，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佈有鍍Au或Sn的連接盤，然後進行C4形式的倒裝片連接。C4連接的優點在於：

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）可以適於批量生產

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的矽片和C4連接中的矽片結構相同，兩者之間的唯一區別在於基材的選擇。DCA採用的基材是典型的印製材料。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)。對於DCA由於間距僅為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厚的焊料由於是預鍍的，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，當前仍處於初期開發階段。矽片與基材之間的連接不採用焊料，而是用膠來代替。這種連接中的矽片底部可以有焊球，也可以採用焊料凸點等結構。FCAA所用的膠包括各向同性和各向異性等多種類型，主要取決於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。倒裝晶元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，倒裝晶元的應用將會越來越廣泛。