倒裝芯片封裝更具競(jìng)爭(zhēng)力

仍待解決的技術(shù)挑戰(zhàn)

隨著業(yè)界繼續(xù)降低技術(shù)節(jié)點(diǎn)，還有很多挑戰(zhàn)尚待解決。Hamilton認(rèn)為，這包括需要改進(jìn)封裝的電學(xué)/熱學(xué)性能、對(duì)尺寸縮減的持續(xù)需求、更窄的凸點(diǎn)節(jié)距，以及更短的上市時(shí)間，并且所有這些都需要在更低成本的前提下實(shí)現(xiàn)。

“業(yè)界還需要解決很多問(wèn)題，像材料內(nèi)的空隙、與低k材料兼容的凸點(diǎn)制作方法、低k材料與封裝的翹曲相關(guān)，而翹曲在薄層和無(wú)核多層基板中更加突出，”Hamilton表示。

當(dāng)年業(yè)界從陶瓷基板轉(zhuǎn)換到有機(jī)基板時(shí)，也出現(xiàn)了很多嚴(yán)重的可靠性問(wèn)題。Pendse說(shuō)：“IBM聲稱，采用陶瓷基板和高鉛凸點(diǎn)的倒裝芯片封裝，在35年的運(yùn)行時(shí)間中達(dá)到了零失效?！比绻捎糜袡C(jī)基板，由基板和芯片CTE失配引起的可靠性問(wèn)題，以及有機(jī)基板自身的性能波動(dòng)，使得現(xiàn)場(chǎng)失效的可能性大大提升。Pendse還補(bǔ)充：“新的鍵合結(jié)構(gòu)、新的基板和隨之而來(lái)的質(zhì)量波動(dòng)，以及更高的CTE失配，都是需要解決的巨大挑戰(zhàn)。”

其他的挑戰(zhàn)還有采用倒裝芯片需要密度更高的基板，使得該技術(shù)比現(xiàn)行的引線鍵合技術(shù)更貴。Pendse介紹說(shuō)，部分由于金價(jià)的上揚(yáng)，部分由于互連結(jié)構(gòu)和基板設(shè)計(jì)的不斷創(chuàng)新，目前價(jià)格因素的差異已經(jīng)不那么顯著了。但隨著倒裝芯片在更寬的產(chǎn)品范圍得到接受，例如消費(fèi)類電子產(chǎn)品，價(jià)格問(wèn)題仍將是倒裝芯片技術(shù)的一個(gè)挑戰(zhàn)。

根據(jù)Brofman和O’Leary介紹，其他方面的挑戰(zhàn)還包括采用新型和改進(jìn)的硅介電材料后，硅變得更加易碎，與此同時(shí)工業(yè)界還在關(guān)注超高互連密度的倒裝芯片陣列。芯片-封裝相互作用（CPI）——有限的可靠性、更高帶寬和更高密度——使得各方需要共同協(xié)作來(lái)解決這些問(wèn)題。這也是為什么2008年在紐約州宣布建立一個(gè)封裝研發(fā)中心，以解決關(guān)鍵的倒裝芯片可靠性挑戰(zhàn)。一個(gè)例子是電遷移，由于電流密度過(guò)高引起導(dǎo)體中金屬原子的漸進(jìn)流失，這將可能是窄節(jié)距C4面對(duì)的最大問(wèn)題。

當(dāng)前趨勢(shì)

Brofman和O’Leary都認(rèn)為，倒裝芯片下一步的演進(jìn)方向是芯片在插入層或者疊層芯片上的3-D集成。他們還指出，帶有穿透硅通孔（TSV）的芯片和晶圓減薄，以及超窄節(jié)距（50 μm）的新型Cu/Cu和銅柱互連都在開(kāi)發(fā)中。此外為了滿足先進(jìn)微處理器日益增長(zhǎng)的功率密度要求，他們相信，疊層芯片方法將會(huì)在散熱管理上帶來(lái)很大挑戰(zhàn)。

Brofman還介紹說(shuō)，封裝技術(shù)還持續(xù)地推動(dòng)著材料科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展。盡管他也認(rèn)為碳納米管（CNT）互連還需要一些年的時(shí)間，但在近期，很可能采用納米材料作為芯片下填充料、導(dǎo)熱材料和多層復(fù)合基板的填充物。

Brofman還指出，在材料沉積領(lǐng)域也有一些新趨勢(shì)出現(xiàn)?！俺薈4NP，在形成倒裝芯片互連時(shí)，還可以采用傳統(tǒng)BGA所使用的‘下投焊球’的方法。”

那么無(wú)鉛的趨勢(shì)呢？目前倒裝芯片模塊仍受到歐盟《限制使用有害物質(zhì)條例》（RoHS）的豁免，并很可能會(huì)延續(xù)到2014年?！耙话愕挠^點(diǎn)是如果使用無(wú)鉛材料制作凸點(diǎn)，將會(huì)遇到大量的可靠性問(wèn)題，”P(pán)endse介紹說(shuō)?！凹幢愎柽M(jìn)展到40 nm或更低節(jié)點(diǎn)，由于硅本身變得更脆，以及無(wú)鉛焊料本身更硬，這一問(wèn)題將會(huì)更難解決?！惫I(yè)界正在嘗試不同的凸點(diǎn)材料和方案，使互連變得更加柔順。

由于全世界范圍內(nèi)電子產(chǎn)品的“綠色化”，長(zhǎng)期來(lái)看，都會(huì)轉(zhuǎn)向無(wú)鉛的芯片互連，因此更多的倒裝芯片用戶將會(huì)采用無(wú)鉛模塊，這不僅僅是來(lái)自于法規(guī)的要求，也更是未來(lái)含鉛模塊能否進(jìn)入市場(chǎng)的不確定性所驅(qū)使的，O’Leary介紹說(shuō)。“多芯片模塊，特別是兩芯片模塊，已經(jīng)比三年前更受歡迎。由于對(duì)電性能的追求，將會(huì)更多考慮更薄的基板核（0.4mm或更薄和/或無(wú)核有機(jī)倒裝芯片基板，”他說(shuō)。“除了3-D集成在性價(jià)比上的提高外，像晶圓級(jí)芯片尺寸封裝所使用的晶圓級(jí)工藝技術(shù)也備受關(guān)注。”

Pendse預(yù)測(cè)，未來(lái)兩年內(nèi)倒裝芯片領(lǐng)域的另一個(gè)趨勢(shì)是不斷滲透那些現(xiàn)在還較空白的領(lǐng)域——像音頻/視頻、錄像機(jī)、相機(jī)、MP3播放器、數(shù)字電視等這樣的消費(fèi)類電子產(chǎn)品，可以受益于倒裝芯片出色的RF性能和可微縮能力。

用戶也在探索低成本倒裝芯片基板?！肮I(yè)界一直在尋找可以有效布線以及芯片到基板互連的新設(shè)計(jì)方法，”Hamilton說(shuō)?！澳壳罢谘芯康囊环N方法是用激光燒蝕將信號(hào)圖案寫(xiě)到介電層，之后進(jìn)行金屬化。”

在薄核基板方面，工業(yè)界將進(jìn)入45nm及以下技術(shù)節(jié)點(diǎn)，芯片上晶體管的數(shù)目將會(huì)增加，開(kāi)關(guān)速度也會(huì)提高，開(kāi)關(guān)電壓將會(huì)降低，并且需要更短的信號(hào)通路降低寄生效應(yīng)，Hamilton表示?！盀榱藵M足這些需求，我們已經(jīng)看到，目前標(biāo)準(zhǔn)的高性能倒裝芯片基板的核厚是800μm，業(yè)界已經(jīng)開(kāi)始向600μm或400μm前進(jìn)。隨著核厚度的降低，我們面臨更多的基板和封裝翹曲的風(fēng)險(xiǎn)，其共面性將會(huì)挑戰(zhàn)當(dāng)前工業(yè)界已經(jīng)接受的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)更薄核以及無(wú)核基板的需求已經(jīng)到來(lái)，為了戰(zhàn)勝這些風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)，封裝廠、基板供應(yīng)商和組裝材料制造商已經(jīng)開(kāi)始共同協(xié)作努力。”

無(wú)核基板可以進(jìn)一步提高倒裝芯片封裝的電學(xué)性能。無(wú)核基板中可以采用任一層作為電源或地，并可以在一層內(nèi)完成所有的輸入端布線，在另一層完成所有的輸出端布線。這種基板還給芯片設(shè)計(jì)人員帶來(lái)極大的靈活性。

另一個(gè)趨勢(shì)是芯片頂部裸露、模塑的大尺寸高性能倒裝芯片。“模塑倒裝芯片方案的優(yōu)勢(shì)在于可以支持薄核和無(wú)核方案，這樣就可以達(dá)到甚至超越工業(yè)界對(duì)共面性的要求，”Hamilton說(shuō)。模塑封裝方案可以增進(jìn)散熱性能，使芯片可以與外部的散熱部件通過(guò)一層熱界面材料直接接觸。這也是現(xiàn)有高性能單一或兩芯片封蓋方案的一個(gè)低成本替代方案，并提高了BGA焊料連接的可靠性。

最后但仍很重要、并值得討論的是銅焊柱?！安捎煤噶贤裹c(diǎn)倒裝芯片封裝方案進(jìn)行器件微縮，同時(shí)會(huì)增加由于非常接近的相鄰?fù)裹c(diǎn)導(dǎo)致的嚴(yán)重的電遷移風(fēng)險(xiǎn)，”Hamilton解釋說(shuō)?！斑@樣情況下，銅焊柱凸點(diǎn)可以降低這種風(fēng)險(xiǎn)，并可得到比當(dāng)今的焊料凸點(diǎn)更窄的引腳間距?！逼渌麅?yōu)點(diǎn)還包括比焊料凸點(diǎn)更小的芯片/基板縫隙，并可降低阿爾法粒子。 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

持續(xù)發(fā)展和最終的替代方案？

那么從現(xiàn)在開(kāi)始倒裝芯片技術(shù)會(huì)向哪個(gè)方向變遷？Pendse介紹說(shuō)，他期待未來(lái)的互連技術(shù)會(huì)有所不同?！捌鸪?，采用微凸點(diǎn)的TSV互連將會(huì)促進(jìn)倒裝芯片的使用，它們與倒裝芯片不同，但是在同一陣營(yíng)，”他說(shuō)。“繼續(xù)前進(jìn)的話，可能會(huì)出現(xiàn)更好的芯片鍵合技術(shù)。之后TSV本身可能會(huì)被看作是一種互連。倒裝芯片可能逐漸被其他方法所取代?！币环N可能是將TSV作為互連（圖3），另一種可能是扇出型晶圓級(jí)封裝（FOWLP），也被稱為“先芯片封裝（chips-first packaging）”。

圖3. TSV可能最終會(huì)取代倒裝芯片。（來(lái)源：IBM）

Hamilton還指出，倒裝芯片也是下一代3-D IC架構(gòu)的關(guān)鍵互連技術(shù)?！盎ミB和封裝技術(shù)的壽命周期非常長(zhǎng)，”他說(shuō)。“到現(xiàn)在，即便倒裝芯片應(yīng)用和技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得非常迅速了，還有大量的DIP（通孔互連）封裝存在。”

Brofman認(rèn)為銅/銅鍵合或銅釘頭/凸點(diǎn)的潛力非常大，特別是在3-D集成領(lǐng)域，可能會(huì)取代倒裝芯片傳統(tǒng)的焊料沉積方法?！耙恍㊣DM也在開(kāi)發(fā)小尺寸、低I/O、先芯片封裝技術(shù)，并且在低端倒裝芯片模塊方面顯示出良好的前景，”他補(bǔ)充說(shuō)。