倒装芯片封装技术未来将如何发展

（本文编译自Semiconductor Digest）

到2028年，半导体先进封装领域的规模预计将达到674亿美元。因此，在半导体封装快速发展的领域中，微型化和创新是主旋律。在众多竞争技术中，有一种技术因其效率、性能和微型化方面的优势而脱颖而出：倒装芯片技术。传统引线键合技术占据主导地位的日子已经一去不复返了。倒装芯片技术代表了一种范式转变，它提供了无数的优势，正在改变我们所知的半导体封装行业。随着这种转变，倒装芯片行业在2023年收获了280亿美元的营收，预计到2036年底将超过500亿美元，复合年增长率达到7%。

新战场：倒装芯片VS引线键合

在高速和高性能封装设计领域中，最常用的封装解决方案是封装内的倒装芯片（Flip Chip-in-Package, FCiP）技术。倒装芯片技术相较于传统的引线键合封装技术具有多种优势，如卓越的热电性能、高I/O能力、可满足不同性能要求的基板灵活性、成熟的工艺设备专业知识、经过验证的构造以及较小的尺寸。

通过在标准的双马来酰亚胺三嗪（BT）树脂基板、QFN和标准引线框（FCSOL）上提供倒装芯片封装方案，封装和组装工厂最近在提供具有成本效益的解决方案方面取得了显著进展。尽管晶圆制造工艺可能仍然需要前期投资，但组装工厂正在采用尖端程序和经过验证的技术，以向客户提供更多选择。

倒装芯片技术的一个关键优势是能够在一个芯片上堆叠另一个芯片。对于引线键合芯片来说，由于线的存在，这很难实现，而倒装芯片可以在更小的空间内产生密集的互连。

市场变化

影响倒装芯片行业的因素：

• 物联网（IoT）的普及度激增——物联网是由许多相互连接的物体、机器和计算设备组成的网络。这些设备用于从任何区域向中央系统发送和接收数据。它们配备了传感器，使它们具有独特的身份。由于引入了智能工厂、智能制造和智能电网等概念，对物联网设备的需求激增。随着工业化国家将智能电网与其现有网络融合，对物联网设备的需求将会大大增加。随着物联网设备市场的扩大，对传感器的需求也在增长。由于物联网传感器体积小，因此必须在困难的环境下以高性能水平运行。倒装芯片技术可以缩小设备尺寸，并且性能优于传统技术。因此，倒装芯片设计在MEMS传感器中得到应用，推动了全球倒装芯片市场的增长。

• 引线键合技术的不断发展——倒装芯片连接技术相对于引线键合技术的进步正是推动其需求增长的原因。倒装芯片相较于传统的引线键合封装具有多项优势，包括更好的热电性能要求、更小的外形尺寸、对成熟生产设备的熟悉度，以及增强的I/O能力。

• 智能手机需求的增长——智能手机的CPU大量使用了倒装芯片技术。因此，随着智能手机需求的增加，该业务正在不断扩大。据预测，在2024年至2029年之间，全球智能手机用户的数量将持续增长，增加15亿人（或30.6%）。
  

倒装芯片技术面临的挑战

• 机械强度不足——在倒装芯片中，半导体芯片通过将其推挤并进行倒装而连接到基板上。在芯片输入输出焊盘上，直接排列的凸块通常覆盖整个芯片表面。由于芯片和电路板直接连接，使得连接距离更短，这样电阻更小，信号传输更快。然而，由于这些短距离凸块缺乏机械强度且容易受到热膨胀不匹配的影响，它们可能在高温下破裂。由于放大器和其他零件是悬挂在用作热隔离的金属凸块上方的基板上，另一个出现的问题就怎样有效除热和散热。将低损耗基板与倒装芯片设备和模块内EMI屏蔽结合使用是一种流行的设计策略。

• 成本高

• 缺少定制化的选项
  

封装行业中的最大细分市场

• 封装技术（2D IC, 2.5D IC, 3D IC）——2.5D IC细分市场预计在未来几年中将占据50%的份额。推动全球范围内使用2.5D IC倒装芯片的主要因素包括，与其它封装技术相比，2.5D IC具有更小的尺寸、增强的性能、可封装更多芯片的能力和更高的效率。

最大应用区域概览

• 亚太地区——由于亚太地区半导体行业企业数量的不断增加，预计该地区在预测期间将以30%的份额占据主导地位。此外，亚太地区还拥有倒装芯片领域的关键制造商。还有，自动驾驶汽车和电动汽车等汽车的生产在亚太地区呈现出飙升的趋势。因此，倒装芯片在自动驾驶汽车中的应用也在进一步推动市场增长。此外，政府已启动各种举措来鼓励电动汽车的销售，这也预计将促进市场增长。
  

解锁倒装芯片封装工艺

将芯片电连接到封装载体的关键技术就是倒装芯片封装。与传统的使用线连接的方法不同，倒装芯片封装可以在芯片和基板或封装之间建立直接而有效的连接。这种灵活的方法适用于多种基板，如塑料封装引线框、聚酰亚胺、玻璃、陶瓷、硅和层压PCB。

倒装芯片封装的应用不仅限于单个芯片的封装。无论周围零件是否使用倒装芯片技术（也称为板上倒装芯片），它都可以用于直接将芯片附着到PCB板上。

通过消除与绑定线相关的电感和电容相关的性能问题，倒装芯片进一步巩固了其在电子行业中作为可靠且有效的封装解决方案的地位。让我们深入了解倒装芯片的封装过程：

• 晶圆凸块——在制造过程中，芯片表面的附着焊盘会被金属化以提高其焊料接收性。在芯片的键合焊盘上放置导电凸块或焊球以实现倒装芯片凸块，也称为晶圆凸块。这可以通过多种技术实现，包括晶圆凸块工艺，它是焊料凸块、柱凸块和粘合剂凸块的组合。这些凸块有多种功能，包括机械支撑倒装芯片、实现热传导、防止电气短路和建立连接。

• 对准——为了确保准确放置，在形成凸块和切割芯片后，包含导电凸块的芯片将被翻转并对准。其可靠性取决于对准精度，该精度必须在几微米之内才能实现。

• 回流——为了使导电材料在键合焊盘上均匀分布，在将芯片翻转并放置在基板上之后，进行回流阶段，此阶段会加热并熔化导电凸块。这种回流过程减少了芯片和基板之间的间距（或空间），并改善了焊料的润湿性。回流焊接或热声键合常用于实现回流。

• 封装——封装是填充芯片和基板之间空隙的过程。封装材料轻轻地沿着芯片的边缘沉积，并流过芯片和基板之间形成的空间，从而填充凸块之间的区域。为了完成封装过程，会在芯片的边缘进行进一步的沉积。填充材料具有多种功能，包括提高机械强度和可靠性。

与先进封装解决方案融合

• 晶圆级封装——晶圆级封装是在芯片仍是晶圆的一部分时进行封装的工艺。在组装封装领域，这项技术取得了巨大成功。晶圆级封装和组装设备的支出总额预计到2027年将达20.3亿美元。

• 为了使小型电子设备（如物联网应用中的传感器或移动设备）更加紧凑和高效，晶圆级封装（WLP）通过减小芯片封装的尺寸和重量发挥着重要作用。由于晶圆级封装集成了晶圆切割服务和优化的工艺，因此它是一种经济实惠的选择。先进的倒装芯片封装技术使用晶圆级封装方法来追求更高的效率和成本效益。
  

• 再分布层（RDL）——先进倒装芯片封装的一个额外关键要素是在封装结构中包含再分布层（RDL）。在有源芯片侧创建用于芯片引脚再分布的层的过程被称为再分布层（RDL）。通过使用RDL，芯片引脚可以被移动到芯片上的任何可行位置。支持传统引线键合技术并位于芯片边缘的芯片焊盘可以被重新分配到芯片的任何表面部分，以作为“再分布引脚”使用RDL技术。RDL作为倒装芯片封装的增强器，使它们成为数据中心、5G基础设施和AI等高密度应用的理想选择。
  

• 多芯片集成——芯片设计者采用了多芯片设计的范式，其中大型设计被分解为一系列小芯片，通常被称为芯片组或芯片块，以应对工艺节点限制。多芯片系统用于倒装芯片的快速发展将引发半导体行业的一场革命。这些技术的广泛应用将解锁更多的性能并改变塑造我们生活的一些应用。
  

• 系统级封装（SiP）——随着半导体尺寸缩小和集成的推动，通过IC组装技术集成和缩小尺寸的完整电子系统或子系统的封装或模块——系统级封装（SiP）的力量和潜力正在迅速释放。系统级封装（SiP）集成是将所有系统模块集成到单个封装中，这得益于改进的倒装芯片制造技术，它超越了单个芯片的限制。
  

倒装芯片技术进展

• SET推出了一款面向倒装芯片键合行业的新产品“NEO HB”。SET最新的倒装芯片键合机旨在用于大规模生产，在独立和全自动模式下均具备±1 μm（3西格玛）的键合后精度。凭借其卓越的精度、适应性和快速的周期时间，NEO HB非常适合应用于混合或直接键合（HB）工艺。

• Luminus Devices公司发布了可立即供货的MP-3030-110F倒装芯片LED，它使得创建具有最高效能、亮度和总体耐久性的照明解决方案成为可能。由于采用了倒装芯片架构，无需使用引线键合，从而提高了可靠性。此外，它还提高了对硫的抗性，使得它在恶劣的照明环境和户外园艺应用中都具有出色的性能。
  

• Skyworks Solutions公司是高性能模拟半导体领域的先驱，服务于广泛的终端市场，该公司发布了多款集成了倒装芯片封装的无线网络设备产品。
  

• Jupiter Systems推出了Zavus Xtreme Pixel（XP）倒装芯片COB MicroLED显示屏。这是该公司21:9超宽显示屏系列中的最新型号，是一款巨大、无缝、可定制的显示屏解决方案。Jupiter的21:9比例Zavus XP提供了多种可定制的无缝显示屏，分辨率达到5K，对角线尺寸从0.7毫米超细间距的165英寸开始，最大可达281英寸。
  

结语

最终，由于倒装芯片技术，传统的线连接可以被芯片和基板之间的直接有效连接所替代。倒装芯片技术凭借其高效的热管理、减少信号延迟和允许更高零件密度的能力，为从消费电子到汽车和航空航天等领域提供了绝佳选择。为了满足对更小、更快、更有效的电子产品日益增长的需求，预计倒装芯片技术将在决定芯片封装未来方面发挥重要作用。