倒装芯片的改进即将来临
自从IBM（纽约州，Armonk）在上世纪六十年代早期发明倒装芯片以来，这项技术并没有出现特别大的变化。只是将电子芯片的键合面倒了过来。不过就像FlipChips Dot Com（马萨诸塞州，Worcester）的总裁George Riley所描述的那样：基本的倒装芯片概念是在一个芯片的互连点上制作导电凸点，之后将该面倒装向下并直接连接到电路板上。倒装芯片避免了额外的封装并提供了像高运行频率、低寄生效应和高I/O密度的优点。该项技术几乎被所有热门的电子产品采用，从寻呼机、手机到MP3播放器和数码相机。
但在倒装芯片领域正显现出一些非常有趣的新动向，多种可能的改进即将来临。
首先是随着金丝引线键合成本的变化，对倒装芯片的需求出现了增长。STATS ChipPAC（新加坡）主管倒装芯片和新型产品的副总裁Raj Pendse解释说，“由于金丝的成本快速增长，出现了重大的变化。”“通常移动产品和平台会采用引线键合，在未来我们认为将会向3-D和叠层方向发展。一些性能上的原因也促使我们考虑倒装芯片技术。采用倒装芯片可以更好地缩减芯片尺寸，并且在移动应用中使用的硅正在变得更加紧密（更高的I/O 密度）。飞升的金价使采用引线键合的盈亏点向更低引脚数的方向偏移。移动和手持应用产品通常具有200到700个引脚。而采用倒装芯片的盈亏点在约1000个I/O，也就是大部分计算机和电子游戏机的引脚范围。但现在倒装芯片和引线键合的盈亏点降到了500个I/O。从电路板性能和成本方面来看，我认为200到700脚的应用将会出现极大的转换——从移动产品到手机、数码相机和其他手持电子产品开始。工业界应付金价高涨的方法是采用铜引线或直径更细的引线键合。或者直接采用倒装芯片来取代引线键合。”
对倒装芯片球栅阵列（BGA）系统级封装（SiP）这类倒装芯片的需要正在增长。（来源：STATS ChipPAC）
FlipChip International（Phoenix）也注意到了从引线键合向倒装芯片的转换。“当然看到了向倒装芯片的持续转换动向，这主要是由金丝的成本造成的，”FlipChip的CTO Ted Tessier指出。“我不认为我们已经看到了最后的结果，因为从引线键合产品转向倒装芯片需要非常多的工作。很明显这种转换正在进行。”
Pendse也指出，如果比较引线键合与倒装芯片，它们的设计方法差异很大。“从45 nm开始的新技术代，很多我们的客户都认为不值得为一种应用保留两种设计方法。如果在最后封装上两种方法的成本差异很小，他们会在版图设计时直接选择倒装芯片互连。虽然在2008或2009年的销售上不会出现大的变化，但在2010年其结果将会很明显。从某种程度上讲，金丝成本的提升加速了这一过程，”他这样介绍。
出现的另一个趋势与嵌入式芯片技术的增长有关。“我们在进行一些工作支持嵌入式芯片技术，”Tessier说。“这一点上，我们主推用于嵌入式的芯片，似乎在未来一两年内与嵌入式器件相关的产品将会成为产量最高的产品，像硅这样的有源器件将会嵌入到手机板和多层基板中。”
对倒装芯片来说将会发生这些变化么？欧盟RoHS无铅法规和新的无卤素要求也给相关技术带来很大变化。“在未来倒装芯片的凸点需要满足无铅要求，”Pendse说。“目前有关于倒装芯片的RoHS豁免，因此凸点还不必实现无铅。但豁免条例到2010年即将失效，很多公司并没有将凸点实现无铅化。进行这一转变的公司正在采用铜来取代。随着凸点转向无铅，物料清单也要转向无卤素，这包括目前还没有实现无卤素化的基板材料。向无铅的转变带来了很多难题。例如，凸点制作的成本并不相同，并且封装的可靠性与过去也会有变化。为了与无铅凸点的性能相适应，用做底部填充的材料也要有所变化，因此会带来很多问题。这带动了底部填充料材料、基板等的开发。同时选择哪种无铅焊料成分也是一个大的挑战。”
另一个挑战是如何制作低成本的倒装芯片用基板。向倒装芯片转换有很多原因，但也需要使其设计合理化。目前使用倒装芯片基板的成本大概是引线键合基板的两倍。为了制作低成本基板，工业界正在寻找有效布线和设计基板上互连的新方法。“你不能在基板的顶层布任何信号线，这样就需要多层基板，”Pendse说。“因此我们正在尝试在基板的顶层制作更精细的I/O互连这样可以获得充足的布线空间，同时在设计规则范围内保持基板的层数为2到4。这样基板就会接近引线键合基板。这将是未来两年的主要挑战。”
当然，如何使倒装芯片与3-D集成相结合？“我们已经开发了采用倒装芯片和引线键合叠层集成的方法，我们称之为混合倒装芯片封装，”Pendse解释说。“由于你不能只是把四个倒装芯片堆叠放置，这在目前是无法实现的，我们将引线键合和倒装芯片结合，在I/O最密集的区域采用倒装芯片并将其放在底层，然后将引线键合芯片叠放在上面。不过还是有很多自身的问题。如何获得表面连接？可以在哪个芯片上进行引线键合以及倒装芯片。如何将底部填充料和引线键合结合起来？这是封装领域的新区域。我们正在这个领域投入大量努力。带有穿透硅通孔的3-D封装可以很好地与倒装芯片融合。这是因为如果制作TSV，你可以简单地将一个倒装芯片放到另一个倒装芯片上了。”
在发明了多年之后，倒装芯片最终被工业界所广泛接受。“晶圆级芯片尺寸封装（WLCSP）在过去几年增长很快并且还在保持增长，”Tessier说。“在无线应用的SiP中，倒装芯片也开始获得更大的使用量。我们也注意到了像铜焊柱凸点这样最新的凸点制作技术开始起飞。”
随着倒装芯片市场的增长，半导体制造业研究公司Gartner（康涅狄格州，Stamford）的副总裁Jim Walker说，随着通孔集成的持续增加，互连密度和性能都得到了进一步提升，这也带动了对倒装芯片封装的需求。
“很多IC封装和倒装芯片互连的供应商都对2008年下半年非常乐观，”Walker介绍说。“PC市场的需求比上半年要强，所以采用倒装芯片的芯片组合图形卡市场在后半年会有增长。用于电子游戏机和持续增长的数字电视的倒装芯片基板订单也将在后半年持续增长。用于高端手机和PDA的倒装芯片CSP订单比其他应用更强劲。在第二季度采用BT基板的FPGA器件出现了增长，并且会在后半年保持增长。所有这些增长都推动了倒装芯片市场。在过去的两年中，工业界都未曾见过封装基板市场出现过这样的增长，这样将会出现供应紧张并保持价格稳定。”
但在倒装芯片领域正显现出一些非常有趣的新动向，多种可能的改进即将来临。
首先是随着金丝引线键合成本的变化，对倒装芯片的需求出现了增长。STATS ChipPAC（新加坡）主管倒装芯片和新型产品的副总裁Raj Pendse解释说，“由于金丝的成本快速增长，出现了重大的变化。”“通常移动产品和平台会采用引线键合，在未来我们认为将会向3-D和叠层方向发展。一些性能上的原因也促使我们考虑倒装芯片技术。采用倒装芯片可以更好地缩减芯片尺寸，并且在移动应用中使用的硅正在变得更加紧密（更高的I/O 密度）。飞升的金价使采用引线键合的盈亏点向更低引脚数的方向偏移。移动和手持应用产品通常具有200到700个引脚。而采用倒装芯片的盈亏点在约1000个I/O，也就是大部分计算机和电子游戏机的引脚范围。但现在倒装芯片和引线键合的盈亏点降到了500个I/O。从电路板性能和成本方面来看，我认为200到700脚的应用将会出现极大的转换——从移动产品到手机、数码相机和其他手持电子产品开始。工业界应付金价高涨的方法是采用铜引线或直径更细的引线键合。或者直接采用倒装芯片来取代引线键合。”
对倒装芯片球栅阵列（BGA）系统级封装（SiP）这类倒装芯片的需要正在增长。（来源：STATS ChipPAC）
FlipChip International（Phoenix）也注意到了从引线键合向倒装芯片的转换。“当然看到了向倒装芯片的持续转换动向，这主要是由金丝的成本造成的，”FlipChip的CTO Ted Tessier指出。“我不认为我们已经看到了最后的结果，因为从引线键合产品转向倒装芯片需要非常多的工作。很明显这种转换正在进行。”
Pendse也指出，如果比较引线键合与倒装芯片，它们的设计方法差异很大。“从45 nm开始的新技术代，很多我们的客户都认为不值得为一种应用保留两种设计方法。如果在最后封装上两种方法的成本差异很小，他们会在版图设计时直接选择倒装芯片互连。虽然在2008或2009年的销售上不会出现大的变化，但在2010年其结果将会很明显。从某种程度上讲，金丝成本的提升加速了这一过程，”他这样介绍。
出现的另一个趋势与嵌入式芯片技术的增长有关。“我们在进行一些工作支持嵌入式芯片技术，”Tessier说。“这一点上，我们主推用于嵌入式的芯片，似乎在未来一两年内与嵌入式器件相关的产品将会成为产量最高的产品，像硅这样的有源器件将会嵌入到手机板和多层基板中。”
对倒装芯片来说将会发生这些变化么？欧盟RoHS无铅法规和新的无卤素要求也给相关技术带来很大变化。“在未来倒装芯片的凸点需要满足无铅要求，”Pendse说。“目前有关于倒装芯片的RoHS豁免，因此凸点还不必实现无铅。但豁免条例到2010年即将失效，很多公司并没有将凸点实现无铅化。进行这一转变的公司正在采用铜来取代。随着凸点转向无铅，物料清单也要转向无卤素，这包括目前还没有实现无卤素化的基板材料。向无铅的转变带来了很多难题。例如，凸点制作的成本并不相同，并且封装的可靠性与过去也会有变化。为了与无铅凸点的性能相适应，用做底部填充的材料也要有所变化，因此会带来很多问题。这带动了底部填充料材料、基板等的开发。同时选择哪种无铅焊料成分也是一个大的挑战。”
另一个挑战是如何制作低成本的倒装芯片用基板。向倒装芯片转换有很多原因，但也需要使其设计合理化。目前使用倒装芯片基板的成本大概是引线键合基板的两倍。为了制作低成本基板，工业界正在寻找有效布线和设计基板上互连的新方法。“你不能在基板的顶层布任何信号线，这样就需要多层基板，”Pendse说。“因此我们正在尝试在基板的顶层制作更精细的I/O互连这样可以获得充足的布线空间，同时在设计规则范围内保持基板的层数为2到4。这样基板就会接近引线键合基板。这将是未来两年的主要挑战。”
当然，如何使倒装芯片与3-D集成相结合？“我们已经开发了采用倒装芯片和引线键合叠层集成的方法，我们称之为混合倒装芯片封装，”Pendse解释说。“由于你不能只是把四个倒装芯片堆叠放置，这在目前是无法实现的，我们将引线键合和倒装芯片结合，在I/O最密集的区域采用倒装芯片并将其放在底层，然后将引线键合芯片叠放在上面。不过还是有很多自身的问题。如何获得表面连接？可以在哪个芯片上进行引线键合以及倒装芯片。如何将底部填充料和引线键合结合起来？这是封装领域的新区域。我们正在这个领域投入大量努力。带有穿透硅通孔的3-D封装可以很好地与倒装芯片融合。这是因为如果制作TSV，你可以简单地将一个倒装芯片放到另一个倒装芯片上了。”
在发明了多年之后，倒装芯片最终被工业界所广泛接受。“晶圆级芯片尺寸封装（WLCSP）在过去几年增长很快并且还在保持增长，”Tessier说。“在无线应用的SiP中，倒装芯片也开始获得更大的使用量。我们也注意到了像铜焊柱凸点这样最新的凸点制作技术开始起飞。”
随着倒装芯片市场的增长，半导体制造业研究公司Gartner（康涅狄格州，Stamford）的副总裁Jim Walker说，随着通孔集成的持续增加，互连密度和性能都得到了进一步提升，这也带动了对倒装芯片封装的需求。
“很多IC封装和倒装芯片互连的供应商都对2008年下半年非常乐观，”Walker介绍说。“PC市场的需求比上半年要强，所以采用倒装芯片的芯片组合图形卡市场在后半年会有增长。用于电子游戏机和持续增长的数字电视的倒装芯片基板订单也将在后半年持续增长。用于高端手机和PDA的倒装芯片CSP订单比其他应用更强劲。在第二季度采用BT基板的FPGA器件出现了增长，并且会在后半年保持增长。所有这些增长都推动了倒装芯片市场。在过去的两年中，工业界都未曾见过封装基板市场出现过这样的增长，这样将会出现供应紧张并保持价格稳定。”