什么是 IC 封装中的倒装芯片技术？

倒装芯片技术是一种先进的半导体封装和组装方法，涉及将半导体芯片直接安装到基板或 PCB 上，电路朝下。本常见问题解答将传达倒装芯片技术的基本概念以及它与传统引线键合技术的不同之处。

倒装芯片技术的简单视图

对倒装芯片技术的简单理解如图 1 所示为四步过程。每个步骤如下：

图 1.IC 封装中倒装芯片技术的四步过程。（图片：Techovedas)

1. 半导体芯片 — 第一步涉及在制造后准备半导体芯片或 IC。

2. 碰撞 — 小焊球（凸块）沉积在芯片的焊盘上。这些焊料凸块用作芯片与 PCB 或基板之间的电气和机械连接点。

3. Flip — 凸块芯片倒置（因此称为“Flip-chip”），使焊料凸块朝下朝向 PCB。

4. Packaging — 带有焊点的倒装芯片与 PCB 上的相应焊盘对齐。加热以熔化焊料，在芯片和 PCB 之间形成牢固的电气和机械连接。

倒装芯片技术与引线键合技术有何不同？

倒装芯片技术是 IC 封装中传统引线键合技术的替代方案。图 2 说明了这两种封装技术的不同之处。

图 2.引线键合和倒装芯片技术的 IC 封装工艺。（图片：SpringerLink)

引线键合技术

在引线键合中，单个半导体芯片通过称为分离的过程从晶圆上分离出来（图 2）。芯片分离后，使用芯片粘接粘合剂将其连接到基板或 PCB 上。芯片和基板或 PCB 之间的电气连接使用细线（引线键合）进行。然后涂覆模塑化合物以保护芯片和电线。图 2 显示了两种引线键合配置：

1. Chip-on-Board （COB）：芯片通过引线键合直接键合到 PCB。

2. Chip-in-Package （CIP）：芯片放置在基板上，进行引线键合、封装，然后安装在 PCB 上。

倒装芯片技术

倒装芯片封装涉及一种不同的方法，其中器件晶圆在分离之前经历晶圆凸块。在芯片表面形成焊料凸点，用作电气和机械连接点。凸块后，晶圆被分离成单独的芯片，然后翻转并直接安装到基板或 PCB 上。芯片通过回流焊粘合，形成牢固的电气和机械连接。在芯片下方引入底部填充材料，以加强连接并确保可靠性。这里显示了两种倒装芯片配置以供说明：

1. Chip-in-Package （CIP）：安装在基板上的倒装芯片，然后连接到 PCB。

2. 直接芯片连接 （DCA）：倒装芯片直接连接到 PCB，无需中间基板。

引线键合更传统、更简单、更便宜，但具有更长的电气路径（线环），这会影响高频性能。倒装芯片技术更紧凑，可实现高效的散热。它具有更短的电气路径，提供更好的电气性能，适用于高速和高密度的电子应用，但成本较高。

3D 集成中的倒装芯片技术

倒装芯片方法支持 3D 集成，使量子处理器能够克服平面架构的限制。图 3 通过显示标准和倒装芯片配置来演示这种现象。

图 3.标准和倒装芯片量子比特配置的比较，显示了 3D 集成架构中量子比特和控制元件的分离。（图片：施普林格·自然）)

图 3 显示了倒装芯片设计如何将量子比特（在顶部芯片上）与控制和读出元件（在底部芯片上）分开。这种分离具有以下优点，因为它允许：

• 每个芯片的独立制造工艺。

• 优化量子比特芯片，而不会通过复杂的控制电路对其进行损害。

• 保护敏感量子比特免受可能的退相干源的影响。

图 3 中的设置证明的最重要的发现之一是，尽管靠近另一个芯片，但仍能保持高量子比特相干时间（T₁、T₂ > 20 μs）。这证明 3D 集成方法不会降低量子比特性能。

一个主要的好处是解决了互连拥挤问题。此外，当扩展到更大的量子比特数组时，从外围横向寻址量子比特变得不切实际。倒装芯片方法通过利用第三维度进行布线控制和读出线，巧妙地解决了这个问题。

倒装芯片配置为量子比特电磁场提供了更大的模式体积，减少了可能限制量子比特相干性的表面参与效应。

案例研究 – 三星的 LED 倒装芯片设计

LED 传统上包含一个芯片，该芯片在特定电压下发射单色光。传统设计将这些芯片安装在封装中，通过金线键合将它们连接到触点。然而，这种方法存在明显的局限性：精致的金线在最小应力下容易断裂，而封装反射会降低整体效率。

图 4.经典 LED 与倒装芯片 LED 展示了后者如何避免任何导线进行粘合。（图片：Crescience)

Samsung 通过其创新的倒装芯片 LED 封装推进了这一概念，如图 4 所示。他们的方法包括反转蓝色 LED 芯片并将荧光粉膜直接应用于每个单元。与需要荧光粉点胶和塑料成型的传统封装不同，三星的技术无需模具即可实现芯片级封装，从而实现更紧凑的照明灯具设计。

这种实现方式实现了从结点到封装基体的最短距离，同时消除了引线键合要求。这些工程改进可在 25°C 至 85°C 的最佳工作范围内将每瓦温度降低约 5%。

总结

倒装芯片技术通过提供卓越的电气性能和热管理，彻底改变了半导体封装。它的应用跨越多个行业，并且不断的进步不断增强其功能。虽然本常见问题解答中只提到了少数应用，但该技术适用于可以替代引线键合技术的领域。