一、半導體封裝技術簡介
從事半導體行業，尤其是半導體封裝行業的人，總繞不開幾種封裝工藝，那就是晶片粘接、引線鍵合、倒裝連接技術。
尤其以引線鍵合(Wire Bonding)及倒裝連接(Flip Chip Bonding)最為常見，因為載帶連接技術(TAB)有一定的侷限性，封裝上逐漸淘汰了這種技術。
倒裝晶片技術是通過晶片上的凸點直接將元器件朝下互連到基板、載體或者電路板上。引線鍵合的連接方式是將晶片的正面朝上，通過引線(通常是金線)將晶片與線路板連接。
引線鍵合、載帶連接、倒裝連接各有特點。其中倒裝連接以結構緊湊，可靠性高在封裝行業應用越來越廣泛。
二、什麼是倒裝晶片技術？
倒裝晶片技術起源於IBM，IBM公司在1960年研製開發出在晶片上製作凸點的倒裝晶片焊接工藝。以95Pb5Sn凸點包圍著電鍍NiAu的凸球。後來製作PbSn凸點，使用可控塌焊連接(Controlled collapse Component Connection, 簡稱C4技術)，該技術最初為自己的大型計算機主機所開發的一種高可靠的封裝技術。C4晶片具有優良的電學、熱學性能，封裝疲勞壽命至少提高10倍以上。
自從IBM研製併成功應用C4技術後，隨後的技術發展中，一些半導體公司又對C4技術進行了最佳化升級，其中包括Fairchild公司研製了Al凸點，Amelco公司研製了Au凸點技術。
半導體封裝技術也從QFP(Quad Flat Package方形扁平式)封裝工藝發展到BGA(Ball Grid Array球狀引腳柵格陣列)封裝，到最新的CSP(Chip Scale Package晶圓級)封裝。
下圖是傳統的QFP、BGA等工藝封裝後的器件。
伴隨半導體晶片體積的逐漸減小，對晶片封裝技術要求越來越高，封裝技術向著晶圓及封裝發展。
在對傳統晶片進行封裝時，通常是將晶圓進行切割成Die，再對每一個Die進行封裝，伴隨封裝技術的成熟，在最新的半導體封裝中，將封裝工藝與半導體工藝進行融合，在晶圓上對晶片進行統一封裝，再切割形成可靠性更高的獨立晶片。
隨著倒裝技術的成熟應用，目前全世界的倒裝晶片消耗量超過年60萬片，且以約50%的速度增長，3%的晶圓封裝用於倒裝晶片凸點技術，幾年後可望超過20%。
倒裝晶片元件主要用於半導體設備，有些元件，如無源濾波器，探測天線，儲存器裝備也開始使用倒裝晶片技術，由於晶片直接通過凸點直接連接基板和載體上。因此，更確切的說，倒裝晶片也叫DCA(Direct Chip Attach)，下圖中CPU及記憶體條等電子產品是最常見的應用倒裝晶片技術的器件。
下圖是記憶體條中儲存晶片通過倒裝技術與線路板連接，晶片與電路板中間通過填充膠固定。
在典型的倒裝晶片封裝中, 晶片通過3到5個密耳(1mil=25um)厚的焊料凸點連接到晶片載體上，底部填充材料用來保護焊料凸點。
下圖是一張典型的倒裝連接圖，晶片與下方的基板採用倒裝方式連接：
三、倒裝技術技術細節
在半導體晶片倒裝連接的過程中，有許多前後處理的工序，以下詳細介紹倒裝工藝的相關細節：
第一步：凸點下金屬化（UBM，under bump metallization）
倒裝連接第一步需在晶片表面製作凸點技術，倒裝連接的本質是晶片上的凸點與基板上的凸點(凹槽)連接，半導體表面的金屬化有以下幾種方式：
(a)濺射:用濺射的方法一層一層地在矽片上沉積薄膜，然後通過照相平版技術形成UBM圖樣，然後刻蝕掉不是圖樣的部分。
(b)蒸鍍:利用掩模，通過蒸鍍的方法在矽片上一層一層地沉積。這種選擇性的沉積用的掩模可用於對應的凸點的形成之中。
(c)化學鍍:採用化學鍍的方法在Al焊盤上選擇性地鍍Ni。常常用鋅酸鹽工藝對Al表面進行處理。無需真空及圖樣刻蝕設備，低成本。
下圖是半導體晶片進行凸點金屬化(UBM)的流程：
由於鋁焊盤表面有一層氧化物，鍍層金屬無法粘附在氧化的表面上，因此要對鋁表面進行適當的處理以清除氧化物層。
一般的方法是在鋁焊盤上採用鋅酸鹽處理(zincation)，該技術是在鋁的表面沉積一層鋅，防止鋁發生氧化，鍍鋅工藝的一個缺點是鋁也會被鍍液腐蝕掉，因此需要採用二次鍍鋅工藝，在進行鍍鋅工藝中，有0.3-0.4mm厚的鋁將被腐蝕掉。在鍍鋅過程中，鋅沉積在鋁表面，而同時鋁及氧化鋁層則被腐蝕掉。鋅保護鋁不再發生氧化，鋅層的厚度很薄。
在進行鍍鋅工藝後，進一步採用化學鍍鎳用作UBM的沉積，金屬鎳起到連接/擴散阻擋的作用。鎳的擴散率非常小，與焊料也幾乎不發生反應，它僅與錫有緩慢的反應，因此非常適合作為共晶焊料的UBM金屬。化學鍍鎳既可以用於UBM金屬的沉積，也可以用來形成凸點。在部分倒裝凸點的表面會進一步鍍金，由於金導電性能好，且不易氧化，可增加倒裝連接的可靠性。
第二步: 迴流形成凸點
焊料凸點方法有蒸鍍焊料凸點、電鍍焊料凸點、印刷焊料凸點、釘頭焊料凸點、放球凸點、焊料轉移凸點等不同工藝，其中電鍍焊料及印刷焊料工藝使用較廣泛。
在半導體表面凸點金屬化後，通過迴流爐將金屬化部分形成倒裝球。
迴流形成凸點的大致過程如下圖所示：
其中電鍍焊料凸點的具體形成過程如下圖：
凸點常用的材料是Pb/Sn合金，因為其迴流焊特性好，適合工業化生產。
除了常見的Pb/Sn合金，凸點也有Au/Ni合金等凸點材料，為了保證可靠的互連，UBM必須與用於凸點的焊料合金相容。適合高鉛的UBM不一定適合高錫焊料。例如Cu潤溼層合適於含錫3-5%的高鉛焊料，但是不適合於高錫焊料，因為Cu與Sn反應迅速而生成Sn-Cu金屬間化合物。如果Cu被消耗完畢，焊料將與焊區不潤溼。
下圖是不同的凸點材質件的倒裝連接：
晶片表面形成的凸點在掃描電鏡下觀察到的外觀如下圖所示：
下圖中的左圖是迴流（高溫）前的凸點狀態，右圖是經高溫後的凸點狀態，經高溫後凸點融化成球形。
化學鍍UBM和絲網印刷工藝(Electroless UBM and Stencil Printing)是工業應用中低成本倒裝焊凸點製備方法。
以下是絲網印刷凸點製作流程（Stencil Printing Process Flow）及完成後的凸點形貌：
第三步：倒裝晶片組裝
此工序是將完成凸點製作的晶片與載板進行倒裝互聯。
熱壓倒裝技術是晶片與載板連接的常用方法，最合適的凸點材料是金，凸點可以通過傳統的電解鍍金方法生成，或者採用釘頭凸點方法，後者就是引線鍵合技術中常用的凸點形成工藝。
對於熱壓倒裝技術，由於壓力較大，溫度也較高，這種工藝僅適用於剛性基底，如氧化鋁或矽。另外，基板必須保證較高的平整度，熱壓頭也要有較高的平行對準精度。為了避免半導體材料受到不必要的損害，施加壓力時應該有一定的梯度。
第四步：底部填充與固化
倒裝連接後已完成了晶片與基板的連接，為了提高倒裝穩定性，會在倒裝後的晶片與基板之間採用填充膠加固，填膠工藝如下圖所示：
晶片與基底之間的底部填充材料使連接抵抗熱疲勞的性能顯著提高，如果沒有底部填充，則熱疲勞將是倒裝晶片主要的可靠性問題。
(a)底部填充材料將集中的應力分散到晶片的塑封材料中去。
(b)可阻止焊料蠕變，並增加倒裝晶片連接的強度與剛度。
(c)保護晶片免受環境的影響（溼氣、離子汙染等）。
(d)使得晶片耐受機械振動與衝擊。
四、倒裝晶片技術總結
與一般的焊點連接一樣，倒裝晶片連接的可靠性也要受到基板與晶片的熱膨脹係數(CTE)失配的影響，此外焊點的高度、焊點之間的最大間距亦會對可靠性造成影響。連接區的裂紋多是在從連接溫度冷卻下來的過程中產生的。
由於金的熔點溫度高，因此它對疲勞損傷的敏感程度遠小於焊料。因此，如果在熱循環中應力沒有超過凸點與焊盤之間的連接強度，那麼可靠性不會存在太大問題。
晶片與基底之間的底部填充材料使連接抵抗熱疲勞的性能顯著提高，如果沒有底部填充，則熱疲勞將是倒裝晶片主要的可靠性問題。
倒裝晶片組裝非常適用於高頻應用領域，因為在這種組裝結構中，晶片與基底之間的連接通路非常短。倒裝焊點的串連阻抗為1mW左右，串連電感為0.025nH，遠小於引線鍵閤中的5-10nH。
正是由於倒裝晶片組裝的這種優點，信號的傳輸時延可以顯著降低。
五、倒裝晶片技術的優點與缺點
(1)倒裝連接技術優點：
(a)小尺寸: 小的IC引腳圖形 (只有扁平封裝的5%）減小了高度和重量。
(b)功能增強: 使用倒裝晶片能增加I/O的數量。I/O不像導線鍵合處於晶片四周而受到數量的限制。面陣列可以在更小的空間裡進行更多信號、功率以及電源等互連。一般的倒裝晶片焊盤可達400個。
(c)性能增加: 短的互連距離減小了電感、電阻以及電容，保證了信號延遲減少、較好的高頻率、以及從晶片背面較好的熱通道。
(d)提高了可靠性:大晶片的環氧填充確保了高可靠性。倒裝晶片可減少三分之二的互連引腳數。
(e)提高了散熱能力：倒裝晶片沒有塑封，晶片背面可進行有效的冷卻。
(f)低成本：批量的凸點降低了成本。
(2)倒裝連接技術的缺點：
(a)裸晶片很難測試；
(b)凸點晶片適應性有限
(c)隨著間距地減小和引腳數的增多導致PCB技術面臨挑戰；
(d)必須使用X射線檢測設備檢測不可見的焊點；
(e)和SMT工藝相容性較差；
(f)操作夾持裸晶片比較困難；
(g)要求很高的組裝精度；
(h)目前使用底部填充要求一定的固化時間；
(i)有些基板可靠性較低；
(j)維修很困難或者不可能。