什么是 IC 封裝中的倒裝芯片技術(shù)？

倒裝芯片技術(shù)是一種先進(jìn)的半導體封裝和組裝方法，涉及將半導體芯片直接安裝到基板或 PCB 上，電路朝下。本常見(jiàn)問(wèn)題解答將傳達倒裝芯片技術(shù)的基本概念以及它與傳統引線(xiàn)鍵合技術(shù)的不同之處。

倒裝芯片技術(shù)的簡(jiǎn)單視圖

對倒裝芯片技術(shù)的簡(jiǎn)單理解如圖 1 所示為四步過(guò)程。每個(gè)步驟如下：

圖 1.IC 封裝中倒裝芯片技術(shù)的四步過(guò)程。（圖片：Techovedas)

1. 半導體芯片 — 第一步涉及在制造后準備半導體芯片或 IC。

2. 碰撞 — 小焊球（凸塊）沉積在芯片的焊盤(pán)上。這些焊料凸塊用作芯片與 PCB 或基板之間的電氣和機械連接點(diǎn)。

3. Flip — 凸塊芯片倒置（因此稱(chēng)為“Flip-chip”），使焊料凸塊朝下朝向 PCB。

4. Packaging — 帶有焊點(diǎn)的倒裝芯片與 PCB 上的相應焊盤(pán)對齊。加熱以熔化焊料，在芯片和 PCB 之間形成牢固的電氣和機械連接。

倒裝芯片技術(shù)與引線(xiàn)鍵合技術(shù)有何不同？

倒裝芯片技術(shù)是 IC 封裝中傳統引線(xiàn)鍵合技術(shù)的替代方案。圖 2 說(shuō)明了這兩種封裝技術(shù)的不同之處。

圖 2.引線(xiàn)鍵合和倒裝芯片技術(shù)的 IC 封裝工藝。（圖片：SpringerLink)

引線(xiàn)鍵合技術(shù)

在引線(xiàn)鍵合中，單個(gè)半導體芯片通過(guò)稱(chēng)為分離的過(guò)程從晶圓上分離出來(lái)（圖 2）。芯片分離后，使用芯片粘接粘合劑將其連接到基板或 PCB 上。芯片和基板或 PCB 之間的電氣連接使用細線(xiàn)（引線(xiàn)鍵合）進(jìn)行。然后涂覆模塑化合物以保護芯片和電線(xiàn)。圖 2 顯示了兩種引線(xiàn)鍵合配置：

1. Chip-on-Board （COB）：芯片通過(guò)引線(xiàn)鍵合直接鍵合到 PCB。

2. Chip-in-Package （CIP）：芯片放置在基板上，進(jìn)行引線(xiàn)鍵合、封裝，然后安裝在 PCB 上。

倒裝芯片技術(shù)

倒裝芯片封裝涉及一種不同的方法，其中器件晶圓在分離之前經(jīng)歷晶圓凸塊。在芯片表面形成焊料凸點(diǎn)，用作電氣和機械連接點(diǎn)。凸塊后，晶圓被分離成單獨的芯片，然后翻轉并直接安裝到基板或 PCB 上。芯片通過(guò)回流焊粘合，形成牢固的電氣和機械連接。在芯片下方引入底部填充材料，以加強連接并確?？煽啃?。這里顯示了兩種倒裝芯片配置以供說(shuō)明：

1. Chip-in-Package （CIP）：安裝在基板上的倒裝芯片，然后連接到 PCB。

2. 直接芯片連接 （DCA）：倒裝芯片直接連接到 PCB，無(wú)需中間基板。

引線(xiàn)鍵合更傳統、更簡(jiǎn)單、更便宜，但具有更長(cháng)的電氣路徑（線(xiàn)環(huán)），這會(huì )影響高頻性能。倒裝芯片技術(shù)更緊湊，可實(shí)現高效的散熱。它具有更短的電氣路徑，提供更好的電氣性能，適用于高速和高密度的電子應用，但成本較高。

3D 集成中的倒裝芯片技術(shù)

倒裝芯片方法支持 3D 集成，使量子處理器能夠克服平面架構的限制。圖 3 通過(guò)顯示標準和倒裝芯片配置來(lái)演示這種現象。

圖 3.標準和倒裝芯片量子比特配置的比較，顯示了 3D 集成架構中量子比特和控制元件的分離。（圖片：施普林格·自然）)

圖 3 顯示了倒裝芯片設計如何將量子比特（在頂部芯片上）與控制和讀出元件（在底部芯片上）分開(kāi)。這種分離具有以下優(yōu)點(diǎn)，因為它允許：

• 每個(gè)芯片的獨立制造工藝。

• 優(yōu)化量子比特芯片，而不會(huì )通過(guò)復雜的控制電路對其進(jìn)行損害。

• 保護敏感量子比特免受可能的退相干源的影響。

圖 3 中的設置證明的最重要的發(fā)現之一是，盡管靠近另一個(gè)芯片，但仍能保持高量子比特相干時(shí)間（T?、T? > 20 μs）。這證明 3D 集成方法不會(huì )降低量子比特性能。

一個(gè)主要的好處是解決了互連擁擠問(wèn)題。此外，當擴展到更大的量子比特數組時(shí)，從外圍橫向尋址量子比特變得不切實(shí)際。倒裝芯片方法通過(guò)利用第三維度進(jìn)行布線(xiàn)控制和讀出線(xiàn)，巧妙地解決了這個(gè)問(wèn)題。

倒裝芯片配置為量子比特電磁場(chǎng)提供了更大的模式體積，減少了可能限制量子比特相干性的表面參與效應。

案例研究 – 三星的 LED 倒裝芯片設計

LED 傳統上包含一個(gè)芯片，該芯片在特定電壓下發(fā)射單色光。傳統設計將這些芯片安裝在封裝中，通過(guò)金線(xiàn)鍵合將它們連接到觸點(diǎn)。然而，這種方法存在明顯的局限性：精致的金線(xiàn)在最小應力下容易斷裂，而封裝反射會(huì )降低整體效率。

圖 4.經(jīng)典 LED 與倒裝芯片 LED 展示了后者如何避免任何導線(xiàn)進(jìn)行粘合。（圖片：Crescience)

Samsung 通過(guò)其創(chuàng )新的倒裝芯片 LED 封裝推進(jìn)了這一概念，如圖 4 所示。他們的方法包括反轉藍色 LED 芯片并將熒光粉膜直接應用于每個(gè)單元。與需要熒光粉點(diǎn)膠和塑料成型的傳統封裝不同，三星的技術(shù)無(wú)需模具即可實(shí)現芯片級封裝，從而實(shí)現更緊湊的照明燈具設計。

這種實(shí)現方式實(shí)現了從結點(diǎn)到封裝基體的最短距離，同時(shí)消除了引線(xiàn)鍵合要求。這些工程改進(jìn)可在 25°C 至 85°C 的最佳工作范圍內將每瓦溫度降低約 5%。

總結

倒裝芯片技術(shù)通過(guò)提供卓越的電氣性能和熱管理，徹底改變了半導體封裝。它的應用跨越多個(gè)行業(yè)，并且不斷的進(jìn)步不斷增強其功能。雖然本常見(jiàn)問(wèn)題解答中只提到了少數應用，但該技術(shù)適用于可以替代引線(xiàn)鍵合技術(shù)的領(lǐng)域。