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在半导体技术的快速发展中，封装技术作为连接芯片与外部世界的桥梁，其重要性不言而喻。
目前封装技术主要使用以下三种：
1. 引线键合技术
通过采用导电性好的金丝引线将芯片管脚与电路相连接。
2. 载带自动键合技术
通过将金丝转换成铜箔，将铜箔与芯片管脚的凸点贴合。
3. 倒装芯片技术
通过将芯片上导电的凸点与电路板上的凸点在一定工艺条件下连接起来。
由于半导体越来越集成化，体积越来越小，性能越来越高，而倒装封装技术以其独特的优势和广泛的应用前景，成为当前半导体封装领域的一颗璀璨明星。
一、倒装芯片封装技术发展简述
倒装芯片起源于20世纪60年代，由IBM率先研发出来。倒装芯片封装技术是指采用平面工艺在集成电路芯片的输入/输出端（I/O）端制作无铅焊点，先将芯片上的焊点与基板上的焊盘进行对位、贴装，然后使用焊料回流工艺在芯片和基板焊盘间形成焊球，最后在芯片与基板间的空隙中填充底部填充胶水，实现芯片与基板间的电、热和机械连接。由于是将芯片功能区朝下以倒扣的方式背对着基板，通过焊料凸点与基板进行互联，芯片放置方向与传统封装功能区朝上相反，故称倒装芯片。如下图所示：
二、倒装芯片封装工艺介绍
倒装芯片，英文全称：Flip Chip（英文名称直译为“翻转芯片”），也可简称为：FC，它是一种封装工艺，也称为芯片倒装封装技术，是一种将集成电路芯片倒装在载板或基板上的封装方式。其思想源自于50年代的热电偶焊接技术，而真正被广泛应用则是在90年代。
与传统的引线键合工艺相比，倒装芯片（Flip Chip）封装工艺是将集成电路芯片的主动面（有电路图案的一面）朝下，通过焊点直接连接到基板上，然后通过微小的焊点或导电胶水进行连接。这种封装方式不仅结构紧凑，而且能够实现高密度的输入输出（I/O）连接，是现代高性能半导体器件封装的主流技术之一。
业内人士都知道：芯片封装发展的第三阶段（1990年代），代表类型是BGA（球形阵列）封装。早期的BGA封装，是WB （ Wire Bonding，引线） BGA，属于传统封装。 后来，芯片的体积越来越小 ，而单颗芯片内的焊盘数量越来越多（ 接近或超过1000个）。传统的引线封装，已经无法满足要求。 于是，采用倒装技术替换焊线的FC BGA封装，就出现了现在的倒装芯片（Flip Chip）封装技术的。
三、倒装芯片（Flip Chip）封装工艺技术基础知识
以下就是本章节要跟大家分享的关于倒装芯片（Flip Chip）封装工艺技术基础知识主要内容，如有不当或是遗漏之处，还望及时指正：
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四、倒装芯片（Flip Chip）封装工艺技术工艺流程
1、凸点制作（Bumping）
倒装芯片（Flip Chip）封装包括热超声、回流焊和热压三种工艺，其凸点分别使用金球、锡球和铜柱。
热超声，是在超声和温度的共同作用下, 将金凸点“粘”在基板的焊盘上。这种方式，适用于I/O密度较小的芯片。
回流焊，是在锡凸点表面涂覆助焊剂，再通过热回流加热，进行焊接。这种方式也适合 I/O密度较小（ 凸点间距 40-50μm）的芯片。
热压（ Thermal Compression Bonding，TCB）， 采用高深宽比、小尺寸的铜柱凸点，直接加热粘结。这种方式能够实现高密度互联，适用于I/O密度较大（ 凸点间距 40-10μm）的芯片。
金凸点的成本高。相比之下，铜柱凸点的电性能、散热性能比较好，制备难度均衡，成本也比较低，所以用得比较多。
凸点下金属化是为了将半导体中P-N结的性能引出，其中热压倒装芯片（Flip Chip）连接最合适的凸点材料是金，凸点可以通过传统的电解镀金方法生成，或者采用钉头凸点方法。
制作凸点的流程比较复杂。其实说白了，就是前面晶圆制造时的那套工艺，例如沉积、光刻、刻蚀等。
沉积包括UBM（ Under Bump Metallization，凸点下金属化层）的沉积和凸点本身的沉积。 UBM位于凸点与芯片焊盘（金属垫，Al pad 铝垫层）之间，起到增强凸点附着力、提高电导率和热导率的作用。
UBM的沉积，通常采用 溅射（ Sputtering）、 化学镀（ Electroless）、 电镀（ Electroplating）的方式实现。
凸点本身的沉积，通常采用电镀、印刷、蒸镀、植球的方式实现（前两者比较常见）。
大致的流程示例如下，在这里说明一下：比较特别的是，最后多了一个步骤——“回流 ”，把锡帽变成了子弹头形状。
回流形成凸点是指给P-N结做一个电极，类似于给电池加工一个输出端。常见的凸点制造方法包括：蒸镀、电镀、印刷、钉头、放球和转移等。
2、 对准和贴装
倒装芯片（Flip Chip）组装是指将已经凸点的晶片组装到基板／板卡上，在热压连接工艺中，芯片的凸点是通过加热、加压的方法连接到基板的焊盘上。该工艺要求芯片或者基板上的凸点为金凸点，同时还要有一个可与凸点连接的表面，使材料充分软化，同时促进连接过程中的扩散作用。
简单来说，就是使用精密的贴装设备，将晶粒上的凸点与基板上的焊盘进行精确对准，然后通过回流焊等工艺，实现凸点与焊盘的连接。
回流焊的大致过程如下：
先将晶粒（芯片）的凸点沾上助焊剂，或者在基板上加定量的助焊剂。助焊剂的作用，是去除金属表面氧化物并促进焊料流动。
然后，用贴片设备将晶粒精准地放到基板上。
接下来，将晶粒和基板整体加热（回流焊），实现凸点和焊盘之间的良好浸润结合（温度和时长需要严格控制）。
最后，清洗去除助焊剂，就OK了。
凸点数量较多、间距较小时，回流焊容易导致出现翘曲和精度问题。于是，这个时候就可以用热压（TCB）工艺。
之前的文章里有讲过：热压（TCB）工艺非常适合更多凸点、更小凸点间距的芯片。它利用高精度相机完成芯片间的对准，并通过控制热压头的压力与位移接触基座，施加压力并加热，实现连接。（后续我们讲混合键合，会再提到热压。）
3、底部填充
连接之后，大家会注意到，晶粒和基板之间的区域是空心结构。（芯片底部的焊球分布区，也叫C4区域， Controlled Collapse Chip Connection， “可控塌陷芯片连接”。）
为了避免后续出现 偏移、冷焊、桥接短路等质量问题，需要对空心部分进行填充。
填充和传统封装的塑封有点像，使用的是填充胶（ Underfill ）。 不仅能够固定晶粒，防止移动或脱落，还能够吸收热应力和机械应力，提高封装的可靠性。
底部填充工艺是指先将倒装芯片（Flip Chip）与基板加热到70至75℃，然后使用非导电材料填充芯片底部孔隙。由于缝隙的毛细管的虹吸作用，填料被吸入，并向中心流动，芯片边缘有阻挡物，以防止流出。填充完毕后，在烘箱中分段升温，达到130 ℃左右的固化温度后，保持一定时间后即可完全固化。
底部填充的应用是在倒装芯片（Flip Chip）组装之后，即倒装芯片（Flip Chip）已经在基板上并且焊点已经进行了大规模回流。底部填充常用工艺包括：毛细底部填充 (CUF)、模压底部填充 (MUF)和印刷底部填充三种工艺。
a. 毛细底部填充 (CUF)
底部填充物通过针头或喷射器在基板组件上的倒装芯片（Flip Chip）的一侧（或两侧）辅助真空进行分配。由于毛细作用，这种底部填充物完全填充了芯片、焊点和基板之间的空间，然后通过固化底部填充胶将芯片和基板牢固地结合在一起。
一般来说，倒装芯片（Flip Chip）封装都是以毛细底部填充 (CUF)为主。方法比较简单： 清洗助焊剂之后，沿着芯片边缘，注入底部填充胶。底部填充 胶借助毛细作用，会被吸入芯片和基板的空隙内，完成填充。
b. 模压底部填充 (MUF)
修改后的 EMC 是对芯片进行转移成型并填充芯片、焊点和倒装芯片（Flip Chip）组件基板之间的间隙。芯片的灌封胶和底部填充胶同时形成，大幅提高作业效率
c. 印刷底部填充
为了提高CUF的效率并避免MUF的缺点，市场上出现一种全新的组装后底部填充的方法，该方法使用模板在封装基板组件上印刷倒装芯片（Flip Chip）的底部填充材料，工艺流程如下图所示：
填充之后，还要进行固化。 固化的温度和时间，取决于填充胶的种类和封装要求。 讲到这里，倒装芯片（Flip Chip）封装（凸点工艺）的大致流程基本就是这样的了。
五、倒装芯片（Flip Chip）封装工艺技术的优势与局限性
在倒装芯片（Flip Chip）封装中，硅芯片使用焊接凸块而非焊线直接固定在基材上，提供密集的互连，具有很高的电气性能和热性能。倒装芯片（Flip Chip）互连实现了终极的微型化，减少了封装寄生效应，并且实现了其他传统封装方法无法实现的芯片功率分配和地线分配新模式。但是同时也还有很多方面的问题和局限性待解决。
1、优势
a. 高封装密度
倒装芯片（Flip Chip）封装工艺能够实现高密度的I/O连接，使得芯片与基板之间的连接距离大大缩短。这不仅减小了封装的体积，还提高了信号的传输速度和可靠性。
b. 优异的电性能
由于芯片直接与基板连接，信号传输路径大大缩短，减少了电阻、电感等不良影响，从而提高了芯片的电性能。此外，倒装芯片（Flip Chip）封装还能够减少寄生电容和电感，提高信号的完整性。
c. 良好的散热性能
芯片直接与基板接触，使得热量能够快速传导到基板上，并通过基板上的散热结构散发出去。这种散热方式比传统的引线键合封装更为高效，有助于提高芯片的可靠性和寿命。
d. 简化封装流程
倒装芯片（Flip Chip）封装工艺省去了传统封装中的引线键合步骤，简化了封装流程，降低了封装成本。同时，由于封装体积小、重量轻，也降低了物流运输和存储成本。
2、局限性
a. 倒装芯片（Flip Chip）需要在晶圆上制造凸点，工艺相对复杂。
b. 如果芯片不是专门倒装芯片（Flip Chip）设计的，还需要设计和加工再分布层。
c. 倒装芯片（Flip Chip）更易受到温度变化的影响需要更多地考虑芯片和基板的CTE良好匹配，对热分析有更高的要求。
六、倒装芯片（Flip Chip）封装工艺技术的应用
倒装芯片（Flip Chip）封装工艺以其独特的优势，在半导体封装领域得到了广泛的应用。以下是几个典型的应用领域：
1、高性能处理器
在高性能处理器中，倒装芯片（Flip Chip）封装工艺能够实现高密度的I/O连接，提高信号传输速度和可靠性。例如，Intel和AMD等处理器制造商都采用了倒装芯片（Flip Chip）封装工艺来封装其高性能处理器。
2、存储器芯片
存储器芯片对封装密度和散热性能要求较高。倒装芯片（Flip Chip）封装工艺能够满足这些要求，使得存储器芯片的体积更小、性能更高。例如，三星、SK海力士等存储器芯片制造商都采用了倒装芯片（Flip Chip）封装工艺来封装其存储器芯片。
3、射频芯片
射频芯片对信号的传输性能和可靠性要求较高。倒装芯片（Flip Chip）封装工艺能够减少信号传输过程中的损耗和干扰，提高射频芯片的性能。例如，高通、联发科等射频芯片制造商都采用了倒装芯片（Flip Chip）封装工艺来封装其射频芯片。
4、传感器芯片
传感器芯片对封装体积和散热性能要求较高。倒装芯片（Flip Chip）封装工艺能够满足这些要求，使得传感器芯片的体积更小、性能更高。例如，意法半导体、博世等传感器芯片制造商都采用了倒装芯片（Flip Chip）封装工艺来封装其传感器芯片。
七、倒装芯片（Flip Chip）封装工艺技术的挑战与解决方案
尽管倒装芯片（Flip Chip）封装工艺具有诸多优势，但在实际应用过程中仍面临一些挑战。以下是一些典型的挑战及相应的解决方案：
1、凸点制作难度
凸点制作是倒装芯片（Flip Chip）封装工艺中的关键步骤之一，但其制作难度较大。凸点的大小、形状和分布密度对封装质量和可靠性有着重要影响。为了解决这一问题，制造商需要不断优化凸点制作工艺和设备，提高凸点制作的精度和稳定性。
2、对准与贴装精度
芯片与基板之间的对准与贴装精度对封装质量和可靠性至关重要。为了实现高精度的对准与贴装，制造商需要采用先进的对准和贴装设备，并对设备进行定期校准和维护。
3、底部填充胶的选择与固化
底部填充胶的选择与固化对封装质量和可靠性有着重要影响。为了选择合适的底部填充胶并确保其固化质量，制造商需要充分了解底部填充胶的性能和特点，并根据封装要求进行选择和测试。
八、倒装芯片（Flip Chip）封装工艺技术的未来发展趋势
随着半导体技术的不断发展和应用领域的不断扩展，倒装芯片（Flip Chip）封装工艺将迎来更加广阔的发展前景。以下是倒装芯片（Flip Chip）封装工艺的一些未来发展趋势：
1、微型化与高密度化
随着半导体器件的不断微型化和高密度化，倒装芯片（Flip Chip）封装工艺将朝着更高密度的I/O连接和更小的封装体积方向发展。这将使得半导体器件的性能更高、体积更小、重量更轻。
2、智能化与自动化
随着智能制造和自动化技术的发展，倒装芯片（Flip Chip）封装工艺将朝着更加智能化和自动化的方向发展。通过引入先进的自动化设备和智能控制系统，可以实现更高效、更精确的封装过程。
3、环保与可持续性
随着环保意识的不断提高和可持续发展战略的推进，倒装芯片（Flip Chip）封装工艺将朝着更加环保和可持续的方向发展。制造商将采用更加环保的封装材料和工艺，减少对环境的影响。
4、多元化应用
随着半导体技术的不断发展和应用领域的不断扩展，倒装芯片（Flip Chip）封装工艺将在更多领域得到应用。例如，在5G通信、物联网、人工智能等新兴领域，倒装芯片（Flip Chip）封装工艺将发挥重要作用。
九、总结一下
倒装芯片（Flip Chip）技术经过了很长的一段时间发展，从三凸点倒装芯片（Flip Chip）到万凸点倒装芯片（Flip Chip），现在已经达到10万凸点倒装芯片（Flip Chip），同时倒装芯片（Flip Chip）的间距也小至20µm。但是，倒装芯片（Flip Chip）技术依然面临着激烈竞争，它的部分市场份额正逐渐被扇出型晶圆/面板级封装（简称 FOWLP）技术所夺走，尤其是PoP封装技术。由于成本更低、性能更高、尺寸也更小等，现在爱疯手机开始采用PoP封装技术制造，同时，越来越多的智能手机公司和组件公司也在效仿爱疯手机，这意味着FOWLP不仅仅用于封装基带、RF（射频）开关/收发器、PMIC（电源管理集成电路）、音频编解码器、MCU（微控制单元）、RF雷达、连接IC等，也可用于封装AP等高性能大型（>120mm2）SoC。对于倒装芯片（Flip Chip）封装技术来说，这无疑形成一个巨大挑战。
但是，倒装芯片（Flip Chip）封装工艺作为一种先进的半导体封装技术，以其独特的优势和广泛的应用前景，成为当前半导体封装领域的一颗璀璨明星。通过不断优化工艺和设备、解决挑战和问题，倒装芯片（Flip Chip）封装工艺将朝着更高密度、更高性能、更环保和可持续的方向发展。未来，倒装芯片（Flip Chip）封装工艺将在更多领域得到应用，为半导体产业的发展注入新的活力。
而伴随着科技的不断发展，倒装芯片（Flip Chip）封装技术也在不断进步和创新。未来，随着封装技术的进一步提高和应用需求的进一步提升，倒装芯片（Flip Chip）封装技术将在更多的领域得到应用，为推动电子信息产业的发展做出更大的贡献。
总的来说，倒装芯片（Flip Chip）封装工艺是一种高效、高性能的封装技术，它将继续在电子技术领域发挥重要的作用。虽然它面临着一些挑战，但是通过创新和研发，我们有理由相信，倒装芯片（Flip Chip）封装技术将有更广阔的应用前景。
参考文献
1. 《 一文读懂芯片生产流程》，Eleanor羊毛衫；
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3. 《 摩尔定律重要方向，先进封装大有可为》，华福证券 ；
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6. 《 先进封装高密度互联推动键合技术发展，国产设备持续突破 》，东吴证券；
7. 《 算力时代来临，Chiplet 先进封装大放异彩》，民生证券；
8. 《 先进封装设备深度报告》，华西证券；
9. 维基百科、百度百科、各厂商官网。
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