倒裝芯片封裝更具競爭力

隨著倒裝芯片封裝在成本和性能上的不斷改進(jìn)，加上鍵合金線價(jià)格的不斷攀升，從手機(jī)到游戲機(jī)芯片的各種應(yīng)用領(lǐng)域里，倒裝芯片技術(shù)都變得更具競爭力。

回首15年前，幾乎所有封裝采用的都是引線鍵合。如今倒裝芯片技術(shù)正在逐步取代引線鍵合的位置。倒裝芯片的基本概念就是拿來一顆芯片，在連接點(diǎn)位置放上導(dǎo)電的凸點(diǎn)，將該面翻轉(zhuǎn)，有源面直接與電路相連接。倒裝芯片避免了多余的封裝工藝，同時(shí)得到像縮小尺寸、可高頻運(yùn)行、低寄生效應(yīng)和高I/O密度的優(yōu)點(diǎn)（圖1）。

在從手機(jī)和尋呼機(jī)到MP3播放器和數(shù)碼相機(jī)的所有熱門的消費(fèi)類電子產(chǎn)品中，幾乎都能找到倒裝芯片封裝。在服務(wù)器中，近乎所有的邏輯模塊都采用倒裝芯片封裝。大部分ASIC、游戲機(jī)電路、圖形處理器、芯片組、現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）和數(shù)字信號處理器（DSP）也都已采用了倒裝芯片封裝（圖2）。

圖1. 像這個(gè)倒裝芯片BGA系統(tǒng)級封裝（SiP）的應(yīng)用那樣，隨著金線鍵合成本的提升，對倒裝芯片的需求在不斷增加。（來源： STATS ChipPAC）

圖2. 為游戲機(jī)CPU設(shè)計(jì)的倒裝芯片BGA。（來源：Amkor）

在過去幾年里金絲引線鍵合的成本不斷提高——這使得倒裝芯片變得更具吸引力。“如果看一下兩到三年前的成本，自然而然是倒裝芯片更高，” STATS ChipPAC（新加坡）負(fù)責(zé)倒裝芯片和新興產(chǎn)品的副總裁Raj Pendse這樣介紹?！巴ǔ碚f倒裝芯片所用的封裝基板成本是引線鍵合襯底的兩到三倍，但金價(jià)的飆升卻超過了封裝基板的差價(jià)。在很寬泛的應(yīng)用領(lǐng)域里，倒裝芯片已經(jīng)成了更具成本效益的解決方案。過去兩種方法的成本平衡點(diǎn)是1000引腳?，F(xiàn)在只要在200到700引腳范圍內(nèi)，倒裝芯片就更劃算。”

倒裝芯片的歷史回顧

倒裝芯片技術(shù)的首次應(yīng)用可以追溯到1964年。根據(jù)IBM封裝技術(shù)戰(zhàn)略部門的杰出工程師Peter Brofman介紹，那時(shí)他們已經(jīng)在IBM S/360大型機(jī)中采用了混合固態(tài)邏輯技術(shù)（SLT）。這一技術(shù)主要是采用一些大節(jié)距的銅珠用作額外支撐，可以防止與無源器件之間的短路?！罢嬲龑⒌寡b芯片用在IC中始于1969年，但當(dāng)時(shí)只有四邊引腳的方案，”他解釋說?！巴耆骊嚵械慕饘倩沾桑∕C）技術(shù)出現(xiàn)在70年代中期。在80年代早期，IBM已經(jīng)可以完成11×11陣列、節(jié)距為250 μm的Pb-5Sn焊料球了。 ”

80年代末和90年代初，摩托羅拉從IBM獲得倒裝芯片的授權(quán)，開始尋找倒裝芯片陶瓷載體的替代物，開啟了對芯片到載體的下填充物以及低成本FR4有機(jī)材料的研究。IBM封裝工程經(jīng)理Patrick OLeary指出，這些工作是與卡上加層的技術(shù)并行開發(fā)的，這一技術(shù)基于1990年的表面多層電路（SLC）工藝，到90年代中期，多芯片載體已經(jīng)相當(dāng)普遍。

“到1998年，大尺寸的微處理器開始采用芯片下填充料，并且轉(zhuǎn)向有機(jī)倒裝芯片加強(qiáng)載體，2000到2001年，35 mm、2-2-2載體基板的價(jià)格已經(jīng)接近3美元，”O(jiān)’Leary介紹說。“同引線鍵合相比，倒裝芯片仍‘有點(diǎn)貴’，但性價(jià)比已經(jīng)很高，因此圖形處理器和游戲機(jī)處理器先后從倒裝芯片技術(shù)中獲益，到04、05年左右，已經(jīng)完成了向有機(jī)倒裝芯片模塊的轉(zhuǎn)移。”

IBM已經(jīng)將所有新的倒裝芯片單芯片模塊（SCM）轉(zhuǎn)向多層載體基板。O’Leary指出，處理器向倒裝芯片的重大轉(zhuǎn)移使得倒裝芯片模塊的年復(fù)合增長率（CAGR）比十年前提高了35%。“現(xiàn)在CAGR雖然低了一些，但仍然強(qiáng)勁，隨著金價(jià)的上揚(yáng)，兩種方法的成本平衡點(diǎn)已經(jīng)降到了200-700 I/O。在更低的引腳數(shù)下，整合器件制造商（IDM）將在他們的封裝方案中淘汰引線鍵合——很可能從32 nm節(jié)點(diǎn)開始?！?/P>

最近，倒裝芯片領(lǐng)域其他的里程碑還包括倒裝芯片的“凸點(diǎn)工藝”，或者說焊料沉積可選范圍的發(fā)展。90年代中期，像300 mm這樣的大尺寸晶圓驅(qū)使IBM和其他廠商從真空蒸發(fā)方法轉(zhuǎn)向電鍍方法。最近IBM和SUSS MicroTec（德國慕尼黑）共同開發(fā)并商業(yè)化了IBM的下一代無鉛半導(dǎo)體封裝技術(shù)，也就是可控塌陷芯片連接新工藝（C4NP），目前已進(jìn)入量產(chǎn)。O’Leary指出，采用C4NP可以在前端就完成預(yù)先圖形化的焊料球，縮短了工藝流程的時(shí)間?？梢灶A(yù)先檢查焊料凸點(diǎn)，并采用與晶圓級鍵合類似的技術(shù)，一步沉積在晶圓上。這種方法將焊料涂覆的簡便性（網(wǎng)版/絲?。┖碗婂兊恼?jié)距能力結(jié)合在一起?！癈4NP和電鍍方法都可以在產(chǎn)品中獲得150 μm的C4節(jié)距，從而滿足硅器件等比例縮減的要求，”O(jiān)’Leary介紹說。 function ImgZoom(Id)//重新設(shè)置圖片大小 防止撐破表格 { var w = $(Id).width; var m = 650; if(w

盡管當(dāng)初IBM開發(fā)倒裝芯片技術(shù)是為了滿足大型計(jì)算機(jī)市場的要求，但倒裝芯片的應(yīng)用范圍已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了計(jì)算機(jī)，Amkor（亞利桑那州，Chandler）負(fù)責(zé)倒裝芯片的高級主管Frederick Hamilton說?！暗寡b芯片已經(jīng)進(jìn)入到計(jì)算機(jī)、無線通信、網(wǎng)絡(luò)、電信/數(shù)據(jù)、汽車和消費(fèi)類電子（HDTV）市場，”他表示。“但PC仍然是半導(dǎo)體和倒裝芯片器件的最大單一用戶?！?/P>

有意思的是，倒裝芯片的平均現(xiàn)場壽命大約為15年——盡管部分產(chǎn)品的設(shè)計(jì)壽命是5年。Pendse還指出：“考慮到倒裝芯片的基本結(jié)構(gòu)，很輕松地就可達(dá)到15年的現(xiàn)場壽命?！?/P>

關(guān)鍵的技術(shù)優(yōu)勢

倒裝芯片的主要優(yōu)勢包括可縮減和節(jié)省空間，此外還有互連通路更短且電感更低、高I/O密度、返工和自對準(zhǔn)能力。對散熱管理來說，倒裝芯片的性能也很突出。

倒裝芯片可以采用面陣列互連，這意味著比四周排列封裝更高的I/O密度和更有效的電源供應(yīng)。“如果需要的話，你可以將電源直接供應(yīng)到芯片中間位置去。這有很大的優(yōu)點(diǎn)。對RF和其他一些應(yīng)用來說，倒裝芯片帶來的低寄生效應(yīng)非常重要，”Pendse說?！傲硪粋€(gè)優(yōu)點(diǎn)是因?yàn)樾酒桥c基板直接連接的，你就不需要扇出了——這與需要芯片到基板I/O扇出的引線鍵合不同。它意味著你可以獲得尺寸更小的封裝?！?