器件的小型化高密度封装形式越来越多，如多模块封装（MCM）、系统封装（SiP）、倒装芯片（FC，Flip-Chip）等应用得越来越多。这些 技术的出现更加模糊了一级封装与二级装配之间的界线。毋庸置疑，随着小型化高密度封装的出现，对高速与高精度装 配的要求变得更加关键，相关的组装设备和工艺也更具先进性与高灵活性。

       由于倒装芯片比BGA或CSP具有更小的外形尺寸、更小的球径和球间距、它对植球工艺、基板技术、材料的兼容性、制造工艺，以及检查设备和方法提出了前所未有的挑战。

       倒装芯片的发展历史

       倒装芯片的定义

       什么器件被称为倒装芯片？一般来说，这类器件具备 以下特点：

      1.基材是硅；
      2.电气面及焊凸在器件下表面；
      3.球间距一般为4-14mil、球径为2.5-8mil、外形尺寸为1-27mm；
      4.组装在基板上后需要做底部填充。

       其实，倒装芯片之所以被称为“倒装”，是相对于传统的金属线键合连接方式（Wire Bonding）与植球后的工艺而言的。传统的通过金属线键合与基板连接的芯片电气面朝 上（图1），而倒装芯片的电气面朝下（图2），相当于将 前者翻转过来，故称其为“倒装芯片”。在圆片（Wafer） 上芯片植完球后（图3），需要将其翻转，送入贴片机，便于贴装，也由于这一翻转过程，而被称为“倒装芯片”。

 
图1
  

图2
  

图3

       倒装芯片的历史及其应用

       倒装芯片在1964年开始出现，1969年由IBM发明了倒 装芯片的C4工艺（Controlled Collapse Chip Connection， 可控坍塌芯片联接）。过去只是比较少量的特殊应用，近 几年倒装芯片已经成为高性能封装的互连方法，它的应用 得到比较广泛快速的发展。目前倒装芯片主要应用在Wi- Fi、SiP、MCM、图像传感器、微处理器、硬盘驱动器、医用传感器，以及RFID等方面（图5）。

 
图4
  

图5

       与此同时，它已经成为小型I/O应用有效的互连解决方案。随着微型化及人们已 接受SiP，倒装芯片被视为各种针脚数量低的应用的首选方法。从整体上看，其在低端应用和高端应用中的采用，根 据TechSearch International Inc对市场容量的预计，焊球凸点倒装芯片的年复合增长率（CAGR）将达到31%。

       倒装芯片应用的直接驱动力来自于其优良的电气性能，以及市场对终端产品尺寸和成本的要求。在功率及电 信号的分配，降低信号噪音方面表现出色，同时又能满足高密度封装或装配的要求。可以预见，其应用会越来越广泛。

       倒装芯片的组装工艺流程

       一般的混合组装工艺流程

       在半导体后端组装工厂中，现在有两种模块组装方法。在两次回流焊工艺中，先在单独的SMT生产线上组装SMT器件，该生产线由丝网印刷机、贴片机和第一个回 流焊炉组成。然后再通过第二条生产线处理部分组装的模块，该生产线由倒装芯片贴片机和回流焊炉组成。底部填 充工艺在专用底部填充生产线中完成，或与倒装芯片生产线结合完成。

 
图6

        倒装芯片的装配工艺流程介绍

        相对于其它的IC器件，如BGA、CSP等，倒装芯片 装配工艺有其特殊性，该工艺引入了助焊剂工艺和底部填充工艺。因为助焊剂残留物（对可靠性的影响）及桥连的 危险，将倒装芯片贴装于锡膏上不是一种可采用的装配方法。业内推出了无需清洁的助焊剂，芯片浸蘸助焊剂工艺成为广泛使用的助焊技术。目前主要的替代方法是使用免洗助焊剂，将器件浸蘸在助焊剂薄膜里让器件焊球蘸取一 定量的助焊剂，再将器件贴装在基板上，然后回流焊接；或者将助焊剂预先施加在基板上，再贴装器件与回流焊 接。助焊剂在回流之前起到固定器件的作用，回流过程中起到润湿焊接表面增强可焊性的作用。

       倒装芯片焊接完成后，需要在器件底部和基板之间填充一种胶（一般为环氧树酯材料）。底部填充分为于“毛细流动原理”的流动性和非流动性（No-follow）底部填充。

       上述倒装芯片组装工艺是针对C4器件（器件焊凸材料为SnPb、SnAg、SnCu或SnAgCu）而言。另外一种工艺是 利用各向异性导电胶（ACF）来装配倒装芯片。预先在基板上施加异性导电胶，贴片头用较高压力将器件贴装在基板 上，同时对器件加热，使导电胶固化。该工艺要求贴片机具有非常高的精度，同时贴片头具有大压力及加热功能。 对于非C4器件（其焊凸材料为Au或其它）的装配，趋向采用此工艺。这里，我们主要讨论C4工艺，下表列出的是倒装芯片植球（Bumping）和在基板上连接的几种方式。

        倒装倒装芯片几何尺寸可以用一个“小”字来形容：焊球直径小（小到0.05mm），焊球间距小（小到0.1mm），外形尺寸小（1mm2）。要获得满意的装配良率，给贴装设备及其工艺带来了挑战，随着焊球直径的缩小，贴装精度要求越来越高，目前12μm甚至10μm的精度越来越常见。贴片设备照像机图形处理能力也十分关键，小的球径小的球间距需要更高像素的像机来处理。

       随着时间推移，高性能芯片的尺寸不断增大，焊凸（Solder Bump）数量不断提高，基板变得越来越薄，为了提高产品可靠性底部填充成为必须。

 
图7 
 

图8
  

表1

       对贴装压力控制的要求

      考虑到倒装芯片基材是比较脆的硅，若在取料、助焊剂浸蘸过程中施以较大的压力容易将其压裂，同时细小的焊凸在此过程中也容易压变形，所以尽量使用比较低的贴装压力。一般要求在150g左右。对于超薄形芯片，如0.3mm，有时甚至要求贴装压力控制在35g。