文章來源：半導體全解

原文作者：圓圓De圓

芯片封裝作為設計和制造電子產品開發過程中的關鍵技術之一日益受到半導體行業的關注和重視。本片講述了芯片封裝及底部填充(Underfill)技術。

一、什么是芯片封裝？

封裝的作用主要有保護電路免受外界環境的影響、避免噪聲信號的污染，屏蔽外場的串擾，支撐封裝體內機械機構、電氣互連，緩解封裝體內部的機械應力，提供從封裝體內功率器件到外界環境的熱傳遞路徑，使芯片間的引線從封裝體牢固地引出而非直接裝配在基片上等功能。封裝技術的優劣直接關系到芯片自身性能的發揮以及與芯片連接的PCB(印制電路板)的設計和制備，因此封裝是至關重要的。

高密度封裝應半導體技術的發展，實現電子器件由二維(2D)平面堆集到沿Z方向的高密度集成，以緩解、延續或超越摩爾定律的發展。

二、摩爾定律及后摩爾時代

1965年，美國仙童半導體公司的Gordon Moore博士提出了著名的Moore定律：當價格不變時，集成電路上可容納的元器件數目，每隔18-24個月就會增加一倍。

這一定律準確預測了過去五十年半導體行業的發展。隨著電子信息產業的不斷升級，半導體集成電路正在向超大規模、超高速、高密度、大功率方向發展，當晶體管特征尺寸達到納米級后，進一步減小晶體管尺寸無疑是困難且昂貴的，這也意味著摩爾定律接近尾聲。基于這種情況，業界提出了超越摩爾定律（More-Than-Moore，MTM），試圖從其它的一些途徑來延續摩爾定律的發展趨勢，并且從摩爾定律的“更多更快”，發展到MTM的“更好更全面”。如通過優化晶體管的設計，尋找硅的替代品和發展先進封裝技術等，使一塊集成電路芯片能夠同時具有多種功能，這不僅可以降低芯片的生產成本還能提高電路的等效集成度。其中先進封裝技術的應用無疑是后摩爾時代集成電路發展最有效的解決方法之一，特別是電子封裝維度從二維（2D）向三維（3D）發展，通過三維片上集成、硅通孔（TSV）芯片互連和三維封裝堆疊的形式，在晶體管特征尺寸不變的情況下，可以成倍的增加集成電路密度，從而更好的延續摩爾定律。

封裝的結構方式包括引線鍵合(wire bonding，WB)、載帶自動鍵合(Tape Automated Bonding)、倒裝芯片(flip chip,FC)、硅通孔技術(Through Silicon Via)等。

三、倒裝芯片(FC)底部填充的原因

電子封裝結構也由雙列直插式封裝（Dualin-line package, DIP）、小外型封裝（Small out-line package, SOP）、四側引腳扁平封裝（Quad flat package, QFP）等傳統封裝形式向倒裝芯片（Flip-chip, FC）、倒裝芯片-球柵陣列（FC-BGA）、扇入型晶圓級封裝（Fan-inwafer level package, FIWLP）、扇出型晶圓級封裝（Fan-out wafer level package, FOWLP）、嵌入式芯片封裝（Embedded chip package, ECP）等先進封裝形式發展。其中由FC與BGA技術融合而產生的FC-BGA封裝已成為廣泛采用的主流封裝技術之一。

但FC封裝中硅基芯片與高分子基封裝基板之間熱膨脹系數（Coefficient of Thermal Expansion, CTE）不匹配產生的熱應力易造成焊點在熱載荷作用下過早產生疲勞斷裂乃至失效。1987年日本日立（Hitachi）公司Nakano首次提出在環氧樹脂中加入SiO2并將其填充在芯片與基板之間來提高焊點的疲勞壽命，這種填充樹脂后來逐漸發展成為底部填充膠（Underfill），也稱為底部填充劑或底填膠等。

四、底部填充(Underfill)介紹

Underfill是指在集成電路芯片（Die）與芯片封裝基板（Substrate）或其它芯片亦或轉接板（Interposer）之間填充高分子（樹脂）基復合材料進而提高封裝穩定性的技術。

其中芯片與芯片或芯片與轉接板的連接主要用于系統級芯片（System on chip,SoC）或系統級封裝（System in package, SiP）等3D封裝中。

Underfill材料應用的基本原理是通過其填充在芯片底部并經加熱固化后形成牢固的粘接層和填充層，降低芯片與基板之間因熱膨脹系數差異所造成的熱應力失配，提高器件結構強度和可靠性，增強芯片和基板間的抗跌落性能。

Underfill材料主要由有機粘合劑、填料、固化劑、催化劑、偶聯劑、潤濕劑、阻燃劑、消泡劑以及其它添加劑組成。其主要成分的常用材料及各成分發揮的作用見表：

五、不同底部填充(Underfill)技術

自underfill在工業生產中廣泛應用以來，已經發展出幾種典型的underfill，包括毛細流動型底部填充膠（Capillary Underfill,CUF）、非流動型底部填充膠（No-Flow Underfill,NUF）、晶圓級底部填充膠（Wafer-Level Underfill, WLUF）及模塑底部填充膠（Molded Underfill,MUF）。

每種underfill材料在應用上都各有其優缺點，所以在填充過程中要需要根據產品的特點和性能要求選用合適的underfill及相應的填充工藝。

1）毛細流動型底部填充膠（CUF）

CUF是最早出現的一類underfill，它是利用毛細作用流動填充芯片與底板間隙的一種低黏度填充膠。

CUF在FC封裝回流焊接后進行填充固化，完整的工藝過程包括：助焊劑涂覆→芯片放置→加熱回流→助焊劑清理→流動填充→加熱固化，如圖所示：

CUF是最早應用于電子封裝的一種underfill。目前仍占據市場主流，應用范圍很廣，幾乎面向各個層次的封裝，如FC、CSP、BGA封裝。但由于使用CUF時，工藝上多出了流動填充和加熱固化的步驟，因而生產效率不高，另外毛細流動通常較慢且不夠充分，從而導致固化后的underfill基體中出現空洞，還會出現填料在樹脂體系中分布不均的現象，隨著芯片尺寸的增大及焊點尺寸的減小，這種現象愈發嚴重。

2）非流動型底部填充膠（NUF）

NUF是基于摩托羅拉（Motorola）公司于1992年發展的助焊劑和底部填充膠集成專利技術（Integrated flux and underfill）啟發而發展起來，NUF填充固化工藝比CUF要簡單，主要包括：underfill涂覆→芯片放置→回流焊接和固化，如圖所示：

與CUF相比，NUF工藝步驟減少，生產效率高。實現NUF這種新填充工藝的兩個關鍵要素在于：潛性固化能力和固有助焊能力。NUF工藝的特性需要underfill有足夠的反應潛伏期來保持低粘度，直至形成互連焊點。

由于NUF的固化和互連焊點的形成是在一個工序里完成，因此助焊劑是NUF中必不可少的成分。使用助焊劑是為了在回流過程中去除材料表面的氧化物，提高焊料的潤濕性；同時，助焊劑在回流階段應避免產生揮發性物質，保證填充穩定性。

NUF幾乎可用于所有封裝層次，由于NUF將傳統underfill底部填充工藝上的流動填充、助焊劑涂覆清理、焊料回流、underfill固化簡化成一個工藝步驟，大大提高了生產效率；但由于NUF填料少、熱膨脹系數比較高，固化物常有氣泡和空洞等問題，其尚未成為市場主流產品。

3）晶圓級底部填充膠（WLUF）

由于NUF工藝需要先在基板上涂敷underfill，這與表面貼裝技術（Surface Mounted Technology, SMT）并不完全兼容。針對此問題后來發展出了與SMT兼容的WLUF工藝，該工藝以其低成本、高可靠性而獲得了成功應用。

WLUF工藝首先在有凸點或無凸點的晶圓片上采用印制或涂敷添加一層underfill，然后進行部分固化。對于尚未制作凸點的晶圓，則需在劃片前制作凸點，然后再進行劃片。每單個芯片均可以通過標準的SMT工藝實現與基板的互連，工藝流程如圖所示。

與NUF相同，WLUF也要求含有適當的助焊劑，填料含量很少甚至沒有，以達到100%的焊點連通率。此外，WLUF固化物需要一定的透明度以防晶圓的切割線模糊不清；WLUF需要良好的激光可加工性，便于劃片切割和打孔；此外，WLUF需要有低的介電常數和熱膨脹系數來更好地實現應力均勻分布。

由于WLUF在芯片放置之前就已經將部分固化的WLUF預涂覆在裸芯片上，完全適用于標準FC設備，大大提高了生產效率。但由于幾乎不含填料，還需要解決WLUF熱疲勞穩定性問題。由于工藝過程的限制，WLUF只適用于FC封裝。

4）模塑底部填充膠（MUF）

MUF是可以向模具直接注入，將包括芯片和底板間隙的整個器件進行封裝保護的一種underfill材料。MUF直接將底部填充和二次成型（Over molding）封裝在一個工藝步驟里完成，可降低成本，大大提高生產效率。MUF不僅填充芯片與基板之間的間隙，同時還包覆整個芯片并提高了器件力學穩定性。

MUF特別適用于倒裝芯片封裝，能夠提高生產效率。據報道，MUF工藝可將傳統底部填充工藝的生產效率提高4倍。

MUF工藝在模具設計和工藝方面與增壓底部填充類似，只是前者采用的不是只填充芯片與基板間隙的液態密封劑，而是包封整個器件的模塑化合物。

下圖所示為CUF與MUF工藝過程對比以及常見的FC-BGA封裝采用MFU工藝的模具設計。

MUF封裝技術將注塑工藝和underfill相結合，可大大提高生產效率，降低生產成本，同時可顯著提高封裝器件的可靠性；MUF可以對許多小的間隙進行填充，特別是小芯片微小間距時，填充效果好，有利于電子產品微型化和多功能化；MUF模具填充最小間隙高度可達40um；但MUF的可返修性差。MUF一般適合FC、CSP層次的單個或多個芯片的封裝。