FCBGA倒裝芯片工藝流程全解析

一、FCBGA倒裝芯片工藝流程介紹

FCBGA（Flip Chip Ball Grid Array）倒裝芯片封裝是一種先進(jìn)的芯片封裝技術(shù)，它在現(xiàn)代電子制造領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

（一）基本概念

倒裝芯片技術(shù)與傳統(tǒng)的芯片封裝技術(shù)有所不同。傳統(tǒng)封裝中，裸片和載體之間的互連使用導(dǎo)線制成，而倒裝芯片封裝中的管芯和載體之間的互連通過直接放置在管芯表面上的導(dǎo)電“凸點(diǎn)”來實(shí)現(xiàn)。在FCBGA封裝過程中，芯片被倒置安裝在基板上，然后用焊球?qū)⑿酒B接到基板上，這種方式可以減小信號(hào)電感，提高信號(hào)密度，縮小晶片尺寸和封裝面積等優(yōu)勢 。

（二）工藝流程概述

FCBGA倒裝芯片的工藝流程是一個(gè)較為復(fù)雜的過程，涉及多個(gè)步驟。首先是準(zhǔn)備工作，包括準(zhǔn)備封裝材料、制定工藝流程和準(zhǔn)備封裝設(shè)備等。接著是芯片加工，這一步可能涉及到在芯片上制作凸點(diǎn)等操作。然后是封裝過程，包括將芯片倒裝并連接到基板上，以及后續(xù)的一些處理。最后是測試環(huán)節(jié)，以確保封裝后的芯片能夠正常工作 。

二、FCBGA倒裝芯片制造步驟

（一）基板準(zhǔn)備

1. 材料選擇與清潔

• 基板通常由介電材料制成，如FR - 4或聚酰亞胺。在進(jìn)行后續(xù)步驟之前，必須對基板進(jìn)行清潔處理，以確?；迮c銅層之間能夠有良好的粘合。這是因?yàn)槿绻灞砻娲嬖陔s質(zhì)或者污染物，可能會(huì)影響到后續(xù)的布線、連接等工序，從而影響整個(gè)封裝的質(zhì)量和性能 。

2. 布線與設(shè)計(jì)

• 根據(jù)芯片的功能和封裝要求，在基板上進(jìn)行布線設(shè)計(jì)。FCBGA基板需要具備高密度的布線結(jié)構(gòu)，以滿足芯片高速化與多功能化的需求。例如，一些高端數(shù)字芯片，如人工智能、5G、大數(shù)據(jù)、高性能計(jì)算、智能汽車和數(shù)據(jù)中心等應(yīng)用中的CPU、圖形處理器（GPU）、FPGA等，需要FCBGA基板提供復(fù)雜而精確的電氣互連線路，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的快速傳輸和處理 。

（二）芯片凸點(diǎn)制作

1. 凸點(diǎn)材料選擇

• 凸點(diǎn)的制作是FCBGA倒裝芯片工藝中的關(guān)鍵步驟之一。凸點(diǎn)通常為60 - 100μm高，直徑為80 - 125μm。目前，凸點(diǎn)的材料選擇主要有共晶Sn/Pb、無鉛（98.2%Sn，1.8%Ag）或Cu柱組成。不同的材料具有不同的物理和化學(xué)性質(zhì)，例如，無鉛材料的使用是為了滿足環(huán)保要求，同時(shí)在焊接性能和可靠性方面也有較好的表現(xiàn) 。

2. 制作工藝

• 凸點(diǎn)的制作工藝可以通過多種方法實(shí)現(xiàn)，例如電鍍、化學(xué)鍍等。這些方法可以精確地控制凸點(diǎn)的形狀、大小和高度等參數(shù)。在制作過程中，需要確保凸點(diǎn)與芯片的I/O焊盤之間有良好的電氣連接，并且凸點(diǎn)的分布要均勻，以保證在倒裝焊接時(shí)能夠與基板上的對應(yīng)位置準(zhǔn)確連接。

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（三）芯片倒裝與焊接

1. 拾取芯片

• 使用專門的設(shè)備將制作好凸點(diǎn)的芯片從晶圓上拾取出來。這個(gè)過程需要精確的定位和操作，以避免對芯片造成損壞。例如，一些高精度的拾取設(shè)備可以通過真空吸附等方式，輕柔地將芯片從晶圓上分離出來，并且能夠準(zhǔn)確地將芯片移動(dòng)到下一個(gè)工序的操作位置。

2. 印刷焊膏或?qū)щ娔z

• 在基板上需要焊接芯片的位置印刷焊膏或?qū)щ娔z。焊膏或?qū)щ娔z的作用是在芯片倒裝焊接時(shí)提供良好的電氣連接和機(jī)械固定。如果使用焊膏，其成分和性能需要根據(jù)凸點(diǎn)的材料和焊接工藝進(jìn)行選擇。例如，對于無鉛凸點(diǎn)，需要使用與之匹配的無鉛焊膏，以確保焊接的質(zhì)量和可靠性。

3. 倒裝焊接（貼放芯片）

• 將拾取的芯片翻轉(zhuǎn)并準(zhǔn)確地貼放到基板上印刷有焊膏或?qū)щ娔z的位置。這個(gè)過程需要極高的精度，因?yàn)樾酒系耐裹c(diǎn)必須與基板上的相應(yīng)焊點(diǎn)精確對準(zhǔn)。通常采用高精度的貼片機(jī)來完成這一操作，貼片機(jī)可以通過視覺識(shí)別系統(tǒng)來定位芯片和基板上的對準(zhǔn)標(biāo)記，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的貼放。

4. 再流焊或熱固化（或紫外固化）

• 如果使用焊膏進(jìn)行焊接，則需要進(jìn)行再流焊工藝。再流焊是將印刷有焊膏的芯片和基板加熱到焊膏的熔點(diǎn)以上，使焊膏熔化并在凸點(diǎn)和基板焊點(diǎn)之間形成良好的電氣連接。對于使用導(dǎo)電膠的情況，則需要進(jìn)行熱固化或紫外固化，使導(dǎo)電膠固化并實(shí)現(xiàn)芯片與基板的連接。再流焊或固化過程中的溫度曲線控制非常關(guān)鍵，不同的材料和工藝要求有不同的溫度曲線，以確保焊接或固化的質(zhì)量，避免出現(xiàn)虛焊、短路等缺陷。

（四）底部填充

1. 底部填充材料選擇

• 在芯片焊接完成后，需要在芯片和基板之間加入底部填充物。底部填充物是一種專門設(shè)計(jì)的環(huán)氧樹脂，其主要作用是填充芯片和載體之間的區(qū)域，圍繞焊料凸塊。這種材料的選擇要考慮到與芯片、基板和焊料等材料的兼容性，以及其對熱膨脹系數(shù)的調(diào)節(jié)能力。例如，底部填充物需要能夠在不同的溫度環(huán)境下保持穩(wěn)定的性能，以防止由于硅晶片和載體之間的熱膨脹差引起的焊點(diǎn)應(yīng)力過大而導(dǎo)致的焊點(diǎn)失效。

2. 填充工藝

• 底部填充的工藝通常采用注射的方式，將液態(tài)的底部填充材料注入到芯片和基板之間的間隙中。在注入過程中，要確保填充材料能夠均勻地分布在整個(gè)間隙中，避免出現(xiàn)氣泡、空洞等缺陷。填充完成后，需要進(jìn)行固化處理，使底部填充材料固化，從而實(shí)現(xiàn)其對焊點(diǎn)應(yīng)力的吸收和分散功能。

（五）封裝后測試

1. 電氣性能測試

• 對封裝后的芯片進(jìn)行電氣性能測試，包括測試芯片的電路連接是否正常、信號(hào)傳輸是否正確等。例如，可以使用測試設(shè)備對芯片的各個(gè)引腳進(jìn)行電氣參數(shù)測量，如電阻、電容、電感等參數(shù)的測量，以及信號(hào)的輸入輸出測試，以確保芯片能夠按照設(shè)計(jì)要求正常工作。

2. 可靠性測試

• 進(jìn)行可靠性測試，以評估封裝后的芯片在不同環(huán)境條件下的穩(wěn)定性和可靠性。這包括高溫、低溫、濕度、振動(dòng)等環(huán)境條件下的測試。例如，在高溫測試中，將芯片放置在高溫環(huán)境箱中，觀察芯片在高溫下的性能變化，檢查是否會(huì)出現(xiàn)電路短路、開路或者性能下降等問題；在濕度測試中，模擬高濕度環(huán)境，檢測芯片是否會(huì)因?yàn)槭艹倍霈F(xiàn)腐蝕、漏電等故障。

三、FCBGA倒裝芯片工藝關(guān)鍵環(huán)節(jié)

（一）凸點(diǎn)制作的精度與質(zhì)量

1. 尺寸精度

• 凸點(diǎn)的尺寸精度直接影響到芯片與基板的連接質(zhì)量。如果凸點(diǎn)的高度或直徑不符合要求，可能會(huì)導(dǎo)致在倒裝焊接時(shí)凸點(diǎn)與基板焊點(diǎn)之間的接觸不良。例如，凸點(diǎn)過高可能會(huì)造成焊接不完全，凸點(diǎn)過低則可能無法與焊點(diǎn)充分接觸，從而影響電氣連接的可靠性。因此，在凸點(diǎn)制作過程中，需要采用高精度的工藝設(shè)備和嚴(yán)格的工藝控制，確保凸點(diǎn)的尺寸在規(guī)定的誤差范圍內(nèi)。

2. 材料特性與一致性

• 凸點(diǎn)材料的特性對整個(gè)封裝的性能也有重要影響。如前所述，不同的材料如共晶Sn/Pb、無鉛（98.2%Sn，1.8%Ag）或Cu柱等，其熔點(diǎn)、導(dǎo)電性、熱膨脹系數(shù)等特性各不相同。在生產(chǎn)過程中，要保證凸點(diǎn)材料的一致性，即同一批次的凸點(diǎn)材料在物理和化學(xué)性質(zhì)上要保持一致，否則可能會(huì)導(dǎo)致在焊接過程中出現(xiàn)不同的焊接效果，影響封裝的質(zhì)量和可靠性。

（二）芯片倒裝焊接的對準(zhǔn)精度

1. 視覺識(shí)別與定位系統(tǒng)

• 在芯片倒裝焊接過程中，芯片上的凸點(diǎn)與基板上的焊點(diǎn)必須精確對準(zhǔn)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，通常采用高精度的視覺識(shí)別與定位系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)能夠識(shí)別芯片和基板上的對準(zhǔn)標(biāo)記，然后通過控制系統(tǒng)調(diào)整芯片的位置，使其準(zhǔn)確地貼放到基板上。例如，視覺識(shí)別系統(tǒng)可以通過攝像頭拍攝芯片和基板的圖像，然后利用圖像處理算法分析圖像中的對準(zhǔn)標(biāo)記位置，將其轉(zhuǎn)換為實(shí)際的坐標(biāo)信息，以供貼片機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)確的定位操作。

2. 設(shè)備精度與穩(wěn)定性

• 用于芯片倒裝焊接的設(shè)備（如貼片機(jī)）的精度和穩(wěn)定性也是關(guān)鍵因素。設(shè)備的精度決定了其能夠?qū)崿F(xiàn)的最小對準(zhǔn)誤差，而設(shè)備的穩(wěn)定性則確保在長時(shí)間的生產(chǎn)過程中能夠保持一致的對準(zhǔn)精度。例如，一些高端的貼片機(jī)設(shè)備具有亞微米級(jí)的對準(zhǔn)精度，并且能夠在長時(shí)間連續(xù)工作的情況下保持穩(wěn)定的性能，這對于大規(guī)模生產(chǎn)高質(zhì)量的FCBGA倒裝芯片至關(guān)重要。

（三）底部填充的質(zhì)量控制

1. 填充均勻性

• 底部填充材料在芯片和基板之間的填充均勻性是底部填充質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)之一。如果填充不均勻，可能會(huì)在芯片和基板之間形成氣泡或空洞。這些缺陷會(huì)影響底部填充材料對焊點(diǎn)應(yīng)力的吸收和分散功能，從而降低封裝的可靠性。為了確保填充均勻性，在填充過程中需要優(yōu)化注射工藝參數(shù)，如注射速度、注射壓力、注射角度等，同時(shí)還要對填充過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并糾正可能出現(xiàn)的不均勻現(xiàn)象。

2. 與其他材料的兼容性

• 底部填充材料需要與芯片、基板和焊料等材料具有良好的兼容性。如果兼容性不好，可能會(huì)出現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)、分層等問題。例如，底部填充材料與焊料之間可能會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致焊點(diǎn)的腐蝕或者電氣性能下降；與芯片或基板材料的不兼容可能會(huì)引起分層現(xiàn)象，使芯片與基板之間的連接松動(dòng)，影響整個(gè)封裝的機(jī)械和電氣性能。因此，在選擇底部填充材料時(shí)，需要進(jìn)行充分的材料兼容性測試。

四、FCBGA倒裝芯片流程優(yōu)化方法

（一）工藝參數(shù)優(yōu)化

1. 溫度曲線優(yōu)化

• 在再流焊、熱固化或紫外固化等涉及到溫度控制的工藝環(huán)節(jié)中，優(yōu)化溫度曲線是提高封裝質(zhì)量的重要方法。例如，對于再流焊工藝，通過精確調(diào)整預(yù)熱溫度、升溫速率、峰值溫度、回流時(shí)間和冷卻速率等參數(shù)，可以使焊膏在最佳的溫度條件下熔化和凝固，從而獲得良好的焊接質(zhì)量。不同的焊膏材料和芯片、基板的組合可能需要不同的溫度曲線，因此需要根據(jù)具體情況進(jìn)行優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，找到最適合的溫度曲線。

2. 壓力和時(shí)間參數(shù)優(yōu)化

• 在芯片倒裝焊接和底部填充等過程中，壓力和時(shí)間參數(shù)也會(huì)影響封裝質(zhì)量。在倒裝焊接時(shí)，適當(dāng)?shù)膲毫梢源_保芯片與基板之間的良好接觸，但壓力過大可能會(huì)損壞芯片或基板。同樣，在底部填充過程中，注射壓力和填充時(shí)間需要合理設(shè)置，以保證填充的均勻性和完整性。通過實(shí)驗(yàn)和模擬分析等手段，可以確定最佳的壓力和時(shí)間參數(shù)，提高封裝的成功率和質(zhì)量。

（二）設(shè)備改進(jìn)與升級(jí)

1. 提高設(shè)備精度

• 如前所述，在FCBGA倒裝芯片工藝中，設(shè)備的精度對于凸點(diǎn)制作、芯片倒裝焊接和底部填充等環(huán)節(jié)至關(guān)重要。通過改進(jìn)設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)、采用更高精度的傳感器和控制系統(tǒng)等方式，可以提高設(shè)備的精度。例如，對于貼片機(jī)，可以采用更精密的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和定位機(jī)構(gòu)，以及更高分辨率的視覺識(shí)別傳感器，從而提高芯片倒裝焊接的對準(zhǔn)精度。

2. 提高設(shè)備自動(dòng)化程度

• 提高設(shè)備的自動(dòng)化程度可以減少人為因素對封裝質(zhì)量的影響，提高生產(chǎn)效率。例如，在芯片拾取、焊接、填充等工序中，可以采用自動(dòng)化的設(shè)備和機(jī)器人操作，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化的生產(chǎn)流程。自動(dòng)化設(shè)備可以按照預(yù)設(shè)的程序精確地執(zhí)行各項(xiàng)操作，并且可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和反饋，一旦出現(xiàn)異常情況可以及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，保證生產(chǎn)的連續(xù)性和穩(wěn)定性。

（三）材料改進(jìn)

1. 新型凸點(diǎn)材料研發(fā)

• 研發(fā)新型的凸點(diǎn)材料可以提高凸點(diǎn)的性能和可靠性。例如，尋找具有更低熔點(diǎn)、更好導(dǎo)電性和熱穩(wěn)定性的凸點(diǎn)材料，可以改善焊接效果和降低功耗。同時(shí)，新型凸點(diǎn)材料還可以提高與其他材料的兼容性，減少在封裝過程中的化學(xué)反應(yīng)和應(yīng)力問題。

2. 底部填充材料性能提升

• 改進(jìn)底部填充材料的性能也是流程優(yōu)化的一個(gè)方向。例如，開發(fā)具有更高熱導(dǎo)率的底部填充材料，可以提高芯片的散熱性能；研制具有更好的抗熱膨脹性能的底部填充材料，可以更有效地吸收和分散焊點(diǎn)應(yīng)力，提高封裝的可靠性。

五、FCBGA倒裝芯片工藝實(shí)例分析

（一）在高端處理器封裝中的應(yīng)用

1. 滿足高性能需求

• 以服務(wù)器、人工智能和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備用高端處理器為例，這些處理器對芯片的封裝有極高的要求。FCBGA倒裝芯片工藝能夠滿足其高性能需求，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。首先，通過倒裝芯片的短互連結(jié)構(gòu)，可以減小信號(hào)電感，提高信號(hào)傳輸速度，滿足高端處理器高速數(shù)據(jù)處理的要求。其次，F(xiàn)CBGA基板的高密度布線結(jié)構(gòu)可以為處理器提供大量的電氣互連線路，支持其復(fù)雜的功能邏輯。例如，在人工智能處理器中，需要大量的信號(hào)傳輸線路來實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的運(yùn)算，F(xiàn)CBGA封裝能夠有效地實(shí)現(xiàn)這些信號(hào)的傳輸和處理 。

2. 可靠性保障

• 在高端處理器的工作環(huán)境中，溫度、濕度等環(huán)境因素的變化較大。FCBGA倒裝芯片工藝中的底部填充環(huán)節(jié)能夠有效地提高封裝的可靠性。底部填充材料可以吸收由于硅晶片和載體之間的熱膨脹差引起的焊點(diǎn)應(yīng)力，防止焊點(diǎn)在溫度變化時(shí)出現(xiàn)開裂等故障。同時(shí)，在高濕度環(huán)境下，F(xiàn)CBGA封裝的密封性和防護(hù)性能也能夠保護(hù)芯片免受潮氣的侵蝕，保證處理器的穩(wěn)定運(yùn)行。

（二）在汽車電子中的應(yīng)用

1. 適應(yīng)惡劣環(huán)境

• 在汽車電子領(lǐng)域，如發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元、車載信息娛樂系統(tǒng)等部件中的芯片需要適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境。FCBGA倒裝芯片工藝能夠滿足汽車電子的要求。例如，在汽車行駛過程中，會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)、沖擊等機(jī)械應(yīng)力，F(xiàn)CBGA封裝的牢固結(jié)構(gòu)可以保證芯片在這些機(jī)械應(yīng)力下不會(huì)松動(dòng)或損壞。而且，汽車的工作溫度范圍較寬，從低溫的寒冷環(huán)境到高溫的發(fā)動(dòng)機(jī)艙環(huán)境，F(xiàn)CBGA倒裝芯片的材料選擇和封裝結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)這種寬溫度范圍的變化，確保芯片的正常工作。

2. 滿足安全與可靠性要求

• 汽車電子芯片的安全性和可靠性至關(guān)重要。FCBGA倒裝芯片工藝通過嚴(yán)格的質(zhì)量控制和可靠性測試，可以保證芯片在汽車電子系統(tǒng)中的安全可靠運(yùn)行。例如，在汽車安全系統(tǒng)中的芯片，如制動(dòng)系統(tǒng)、安全氣囊系統(tǒng)等，必須保證在任何情況下都能正常工作。FCBGA封裝的高質(zhì)量焊接和底部填充等工藝環(huán)節(jié)能夠提高芯片的抗干擾能力和穩(wěn)定性，防止因?yàn)樾酒收隙鴮?dǎo)致的安全事故。

六、FCBGA倒裝芯片工藝流程對比

（一）與傳統(tǒng)芯片封裝工藝對比

1. 互連方式

• 傳統(tǒng)芯片封裝工藝中，裸片和載體之間的互連使用導(dǎo)線制成，而FCBGA倒裝芯片封裝通過在管芯表面的導(dǎo)電“凸點(diǎn)”實(shí)現(xiàn)互連。這種凸點(diǎn)互連方式相比于傳統(tǒng)的導(dǎo)線互連具有明顯的優(yōu)勢。例如，凸點(diǎn)互連的長度更短，能夠顯著減小信號(hào)電感，這對于高速通訊和信號(hào)處理的芯片非常重要。在傳統(tǒng)的導(dǎo)線互連中，電線長度通常為1 - 5毫米，而倒裝芯片的凸點(diǎn)互連長度可以縮短至0.1毫米左右，大大提高了信號(hào)傳輸?shù)乃俣群唾|(zhì)量 。

2. 封裝尺寸與密度

• FCBGA倒裝芯片封裝能夠?qū)崿F(xiàn)更小的封裝尺寸和更高的封裝密度。由于凸點(diǎn)互連不需要像導(dǎo)線互連那樣占用較大的空間，并且FCBGA基板可以采用高密度布線結(jié)構(gòu)，所以可以在更小的面積內(nèi)容納更多的芯片功能。相比之下，傳統(tǒng)封裝方式由于導(dǎo)線的存在，限制了封裝的密度提升，并且需要更大的封裝面積來實(shí)現(xiàn)相同的功能。

3. 性能表現(xiàn)

• 在性能方面，F(xiàn)CBGA倒裝芯片封裝在信號(hào)完整性、電源完整性等方面表現(xiàn)更優(yōu)。例如，由于凸點(diǎn)互連減小了信號(hào)電感，信號(hào)的完整性得到了提高，減少了信號(hào)的衰減和失真。在電源完整性方面，倒裝芯片互連可以使電源能夠直接連接至晶片核心，而不是像傳統(tǒng)封裝那樣需要重新布線至邊緣，從而減少了電源/接地電感，提高了電源的供應(yīng)效率和穩(wěn)定性。

（二）不同F(xiàn)CBGA工藝方案對比

1. 焊接材料與工藝

• 在FCBGA倒裝芯片工藝中，存在不同的焊接材料和工藝選擇。例如，焊接材料可以選擇共晶Sn/Pb、無鉛（98.2%Sn，1.8%Ag）或Cu柱等。不同的焊接材料具有不同的熔點(diǎn)、導(dǎo)電性和熱膨脹系數(shù)等特性，因此在焊接工藝上也會(huì)有所不同。共晶Sn/Pb材料的焊接工藝相對成熟，但由于含鉛不符合環(huán)保要求，逐漸被無鉛材料所替代。無鉛（98.2%Sn，1.8%Ag）材料的焊接需要調(diào)整溫度曲線等工藝參數(shù)，以確保良好的焊接效果。Cu柱焊接則具有一些特殊的工藝要求，如在焊接時(shí)需要更高的壓力和溫度控制精度。

2. 底部填充工藝差異

• 底部填充工藝也可能存在差異。不同的底部填充材料在填充方式、固化條件等方面可能不同。例如，一些底部填充材料可能采用熱固化方式