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Tecnologia Flip Chip è un metodo di interconnessione chiave utilizzato nel packaging a livello di sistema. Invece di collegare il die alla confezione tramite un cavo convenzionale, il flip chip viene capovolto, incollando la superficie attiva al substrato. Sviluppata originariamente da IBM negli anni '60, da allora è diventata una base affidabile per la costruzione di sistemi elettronici, compresi i dispositivi di calcolo ad alte prestazioni e di comunicazione mobile.
Questo articolo discute il struttura, tipi, processo di produzione, benefici e sfide di un pacchetto flip chip, e confronta flip chip vs. wire bonding vs. confezionamento BGA per aiutarvi a capire perché questa tecnologia è essenziale in Produzione e assemblaggio di PCB.
Che cos'è un Flip Chip?
La tecnologia flip chip consiste nel posizionare il chip con il suo lato attivo rivolto verso il substrato, che stabiliscono le connessioni elettriche e il fissaggio meccanico attraverso le bumps di saldatura. L'industria considera generalmente il confezionamento di flip-chip come il confine tra metodi di confezionamento convenzionali e avanzati.
L'incollaggio dei flip chip, a differenza di quello convenzionale incollaggio dei fili supporta un maggior numero di canali di ingresso/uscita, presenta distanze di interconnessione più brevi e offre migliori prestazioni elettriche. Inoltre, offre vantaggi in termini di dissipazione del calore e dimensioni ridotte della confezione.
Struttura di un pacchetto Flip Chip
- Un pacchetto flip chip è composto da diversi strati, che forniscono la connessione elettrica e meccanica al PCB o al sistema di controllo della temperatura. substrato.
- Un dado viene assemblato a faccia in giù con urti a saldare (o microsfere) sulle sue piazzole di I/O (dove tradizionalmente i collegamenti a filo sarebbero stati costruiti in altri tipi di confezionamento). Le bumps di saldatura vengono saldate a rifusione sul substrato, che presenta piazzole e strati di instradamento corrispondenti per i segnali.
- Un sottofondo epossidico viene posizionato tra la matrice e il substrato per attenuare sollecitazioni meccaniche dalla diversa espansione termica. Spesso, nelle progettazioni ad alte prestazioni, una Diffusore di calore/ dissipatore di calore è anche incollato per la dissipazione del calore.
Tipi di pacchetti su scala chip
Esistono vari tipi di package per flip-chip, a seconda del fissaggio della matrice e del tipo di substrato utilizzato. Questi pacchetti sono specifici per soluzioni a basso costo o opzioni più affidabili e orientate alle prestazioni.
Flip Chip Ball Grid Array (FCBGA)
FCBGA è un pacchetto molto più robusto dal punto di vista meccanico, caratterizzato da sfere di saldatura che collegano il substrato del chip alla PCB per elevati requisiti di I/O e maggiori capacità meccaniche, che lo rendono ideale per CPU, GPU e altri ASIC ad alta velocità.
Pacchetto flip chip a scala di chip (FCCSP)
Utilizzando la tecnologia flip-chip, le dimensioni del chip si allineano strettamente a quelle del pacchetto, riducendo in modo significativo il volume complessivo del pacchetto. Questo rende ideale per i chip dei dispositivi mobili che hanno vincoli di spazio stringenti, come i processori applicativi e i chip in banda base utilizzati in telefono cellulares.
Processo di produzione dei Flip Chip
Il processo noto come “incollaggio dei flip chip” prevede la formazione di urti a saldare o “palline” sul chip. Il chip viene quindi capovolto, posizionando queste protuberanze in modo che corrispondano alle piazzole sul substrato, e premuto direttamente su di esso. Quando viene riscaldato, il urti fusi si fondono e si uniscono ai pad del substrato, fissando il chip al substrato. Esaminiamo il flusso di processo specifico.
1. Bumping del wafer
La prima operazione è il wafer bumping. Durante questa operazione, piccole protuberanze di saldatura vengono posizionate sulle piazzole di incollaggio di un wafer mediante stampa a stencil, galvanotecnica, oppure (in situazioni particolari) evaporazione. Le protuberanze creeranno dei pad di interconnessione elettrica e meccanica tra la matrice e il substrato nelle fasi successive.
2. Taglio dei wafer
Questa fase prevede l'urto del wafer su un singolo die. L'operazione di cubettatura deve essere precisa, in modo da non disturbare le protuberanze di saldatura.
3. Allineamento e posizionamento degli stampi
La terza operazione è l'allineamento e il posizionamento della matrice. La matrice viene girata e allineata con le piazzole sul substrato. Sistemi di allineamento e posizionamento automatizzati Sono utilizzati e sono tolleranti fino al micron; qualsiasi imprecisione significativa può provocare un'apertura o un'interruzione dell'attività. cortocircuiti.
4. Saldatura a riflusso
La fase operativa successiva è saldatura a riflusso. L'assemblaggio del flip chip viene inserito in un forno di saldatura a riflusso controllato. La saldatura a riflusso fonderà la saldatura in modo che si colleghino elettricamente alle piazzole sul substrato e aderiscano meccanicamente.
Quando si lavora con un gran numero di dossi e spazi ristretti, La saldatura a riflusso può facilmente causare deformazioni e problemi di precisione. In queste situazioni, la Incollaggio a compressione termica (TCB) è il metodo preferito.
Il processo TCB è particolarmente adatto ai chip con molte protuberanze e con passi di protuberanza ridotti. Utilizza un telecamera ad alta precisione per un allineamento preciso tra chip e chip e applica una pressione e un calore controllati regolando la pressione e lo spostamento della testina di incollaggio termico contro il substrato per stabilire la connessione.
5. Applicazione del sottofondo
Una volta collegato, si noterà che lo spazio tra la matrice e il substrato è vuoto. Questo spazio corrisponde al sfera di saldatura nella parte inferiore del chip, comunemente chiamata "sistema". Area C4, che sta per Connessione del chip a collasso controllato.
Per evitare futuri problemi di qualità come il disallineamento, giunzioni a saldare a freddo, e cortocircuiti causati da ponti, questa sezione vuota deve essere riempita. Resina epossidica viene distribuito tra la matrice e il substrato per riempire lo spazio, insieme alla compensazione delle sollecitazioni dovute all'espansione termica con tassi di espansione diversi tra substrato e chip.
6. Test e ispezioni
La fase finale dell'assemblaggio dei giunti a saldare con i flip chip è test elettrici, test meccanici e altre ispezioni/test (raggi X) per l'integrità delle giunzioni a saldare per difetti dall'interno.
Vantaggi della tecnologia Flip Chip
Rispetto al tradizionale wire bonding o al lead frame packaging, il flip chip packaging offre migliori prestazioni e affidabilità. I suoi principali vantaggi includono:
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Consente di connessioni elettriche di I/O ad alta densità, che contribuisce a ridurre le dimensioni complessive del chip.
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Le connessioni a urto garantiscono una maggiore affidabilità rispetto al tradizionale wire bonding.
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Grandemente riduce la lunghezza dei percorsi di trasmissione del segnale, riducendo la capacità e l'induttanza parassite per migliorare la qualità del segnale.
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Contatto diretto tra il die e il substrato consente un rapido trasferimento di calore e un'efficiente dissipazione del calore.
Le sfide dell'assemblaggio di Flip Chip
Nonostante i vantaggi elettrici e termici dell'incollaggio dei flip chip, l'incollaggio dei chip introduce anche diversi vantaggi sfide di progettazione e produzione che gli ingegneri devono gestire per garantire l'affidabilità a lungo termine.
Espansione termica
La preoccupazione più significativa è rappresentata dal coefficiente differenziale di espansione termica (CTE) della matrice di silicio rispetto al substrato organico. L'espansione può sollecitare i giunti di saldatura, provocando crepe o delaminazioni.
Riempimento dei vuoti
La resina epossidica di riempimento è necessaria per l'accoppiamento meccanico. Tuttavia, se l'applicazione non è corretta, sotto la matrice possono formarsi dei vuoti, che possono intrappolare il calore in alcune aree. I vuoti contribuiscono precocemente al cedimento del giunto in caso di cicli termici.
Sfide del test
Durante la produzione, l'ispezione ottica tradizionale dei giunti di saldatura è impossibile. L'imaging avanzato, come Raggi X è necessario per garantire l'integrità del pacchetto. Sebbene siano efficaci nel trovare guasti nascosti, questi i processi aggiungono costi e i tempi di produzione.
Costi di produzione
Nell'assemblaggio di flip chip è richiesta un'estrema precisione di posizionamento. In combinazione con un ambiente di camera bianca per il reflow e il underfill, i costi di produzione si aggiungono ai costi di fabbricazione per gli assemblaggi di flip chip rispetto ad altri sistemi tradizionali di wire bonding o Assemblaggio SMT processi.
Flip Chip vs. wire bonding vs. BGA: differenze chiave
In Assemblaggio di PCB e l'imballaggio elettronico, la scelta della tecnica di interconnessione appropriata influisce notevolmente sulla qualità del segnale, sull'affidabilità e sulla dissipazione del calore.
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Flip chip: Il die è invertito per presentare il suo lato attivo verso il substrato. Le protuberanze a saldare che costituiscono le connessioni elettriche su tutta la superficie della matrice sono chip superficie lo collegano al pacchetto.
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Legame dei fili: Il die è rivolto verso l'alto per collegare il filo (in oro o alluminio) dalle piazzole di collegamento del die ai conduttori del package, che sono tipicamente orientati perimetralmente.
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Array a griglia di sfere: A tecnologia di imballaggio che utilizza una serie di sfere di saldatura sul lato inferiore del pacchetto per collegarlo al circuito stampato (PCB). Il chip all'interno di un pacchetto BGA può essere collegato al substrato tramite wire bonding o flip chip.
Tabella: Flip Chip vs. incollaggio a filo vs. BGA
| Articolo | Legame dei fili | Flip Chip | BGA |
| Metodo di connessione | Incollaggio del filo d'oro/Al | Urti diretti a saldare | Pacchetto array di sfere a saldare |
| Orientamento del chip | Faccia a vista | A faccia in giù | A faccia in giù (nella confezione) |
| Percorso del segnale | Lungo | Molto breve | Moderato |
| Prestazioni elettriche | Moderata; elevata induttanza | Eccellente; bassa parassiticità | Dipende dalla struttura interna |
| Prestazioni termiche | Media | Eccellente | Buono |
| Densità del pacchetto | Da basso a medio | Alto | Alto |
| Costo di produzione | Basso; processo maturo | Alto; processo complesso | Medio |
| Tipico Applicazioni | MCU, circuiti integrati analogici | CPU, GPU, chip ad alta velocità | Memoria, FPGA, SoC mobili |
| Vantaggi | Basso costo, alta affidabilità | Prestazioni superiori, dimensioni compatte | Prestazioni e assemblaggio equilibrati |
| Limitazioni | Non è ideale per l'alta velocità e l'I/O elevato | Costi più elevati, assemblaggio complesso | Gestione termica richiesto |
Come scegliere? I consigli degli esperti di ELEPCB
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| Caso d'uso | Tecnologia consigliata |
| Basso costo, basso numero di pin CI | Legame dei fili |
| Processori ad alta velocità e ad alta I/O | Flip Chip |
| Circuiti integrati generici (ad es. memoria, FPGA) | BGA (con flip chip interno o wire bond) |
| Dispositivi portatili miniaturizzati | Flip Chip BGA (FCBGA) |
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Conclusione
Il confezionamento di flip-chip è un'innovazione significativa nel Assemblaggio di PCB e tecnologia di imballaggio avanzata, permettendo ai dispositivi di offrire prestazioni migliori, dimensioni ridotte e una migliore gestione termica. Con la crescente necessità di dispositivi più piccoli e di una trasmissione più rapida dei segnali, l'assemblaggio di flip-chip è diventato una tecnica cruciale nella produzione elettronica contemporanea.
A ELEPCB, noi specializzati in servizi di assemblaggio di flip chip e fabbricazione di PCB di precisione, aiutando i nostri clienti a soddisfare i requisiti più esigenti in materia di affidabilità, precisione e prestazioni elettriche.
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FAQ
A1: Ottime proprietà elettriche, ottime proprietà termiche, ingombro ridotto, elevata densità di I/O. Sono ideali per le applicazioni ad alta velocità e ad alta potenza.
A2: L'underfill è una resina epossidica riempita di silice che fornisce una resistenza meccanica che compensa le sollecitazioni termiche imposte dalla matrice di silicio e dal substrato.
A3: I problemi di produzione più gravi sono l'allineamento e l'uniformità delle protuberanze. Un numero insufficiente di bump può causare il riflusso e una quantità insufficiente di underfill può causare la formazione di cricche e delaminazioni nei giunti.
A4: test elettrico di continuità, radiografia dei giunti di saldatura dal retro, alla ricerca di vuoti o aree di delaminazione.
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