本文介绍有机芯片载体中倒装芯片技术的优势与成长的艰难步伐。
近年来，倒装芯片(flip-chip)技术在广泛的应用领域经历了数量上的迅猛增长。预计这个趋势将在今后五年中继续和加速，倒装芯片元件的全球使用量预计到2001年超过三十亿个元件1。这个增长是技术从周围引线到面积排列内连接(interconnection)引线的根本转移的反映，这部分是由更高密度的电路、更高频率和更高性能所推动的。现在，倒装芯片元件用于广泛的应用领域，包括计算机、显示器、硬驱、手机、汽车、医疗器械与手表。
倒装芯片技术代表从诸如引线接合这样的传统接合技术在一级封装特征上的主要变化。在倒装芯片封装中，芯片是以其活性面(activeside)朝向芯片载体或基板(substrate)安装的(图一)。芯片与基板之间的内连接由锡球(solderbump)组成，这些锡球大约0.003~0.005"高，通常按面积排列，可能覆盖整个芯片表面。
图一、在一个典型的倒装芯片封装中，芯片通过大约3~5mil的锡球
附着于芯片载体。底部灌充用来保护锡球。
优势、特征
倒装芯片技术为许多今天的高频、高性能的应用提供各种优势。它允许面积排列(area-array)的内连接，也使得能够在晶片内的有源电路(activecircuitry)上连接，因此提供相对高数量的内连接。倒装芯片相当于一个完全封装的芯片，其中它是由锡球下的冶金与芯片钝化层(chip-passivationlayer)密封的，并提供下一级封装的内连接结构。一个安装一个合理构造的倒装芯片，安装在适当载体上用于内连接，但没有其它灌封(encapsulation)，已经可以通过所有可靠性要求，就是因为有一个芯片载体。
倒装芯片的另一个主要优点是自我对准(self-alignment)。当锡球回流时，焊锡内的表面张力将自我纠正芯片的小小的不对准。这个自我对准特性带来非常高的制造装配合格率。倒装芯片技术也提供低电感(inductance)，这对高频应用是很重要的。
倒装芯片技术的另一个重要优点是将电源带入芯片的每个象限(quadrant)的能力。这个能力提供整个芯片面积上的均匀的电流分布，这是与引线接合的周围分布相比较的。倒装芯片也减少电磁干扰(emi,electromagnetinterference)，这是射频(rf,radiofrequency)应用的一个关注。最后，倒装芯片可以是一个非常低成本的内连接技术，由于消除了封装和可以减小芯片的尺寸，这节约了硅的用量。
对于锡球和硅芯片自身上的冶金边界层，有许多不同的结构。在ibm公司，从芯片开始，一个典型的锡球(solderbump)有一个铝焊盘，后面是1000埃(angstrom)的铬(chromium)、3000埃的铬铜、和3000~5000埃的铜。焊锡通过蒸汽来传送。较低成本的技术包括电镀(plating)、植球(studbump)和锡膏的模板印刷。本文将重点放在封装的问题与特征，参考文献1提供了对不同锡球技术和边界层冶金学的技术总结。
机械、温度特性
倒装芯片技术已经由ibm和其它公司广泛地使用了30多年。虽然主要应用传统上是在陶瓷芯片载体，但是在倒装芯片中许多最近的增长是在成本较低的有机(organic)载体。这个增长已经变得可能了，因为已经有适当的底部灌充(underfill)材料来减轻由于硅芯片与pwb材料之间在温度膨胀系数(cte,thermalcoefficientofexpansion)上较大差别所产生的热应力。陶瓷和有机芯片载体具有不同的特性，要求在产品设计中不同的考虑。
陶瓷芯片载体(ceramicchipcarrier)
原来，使用的倒装芯片是在陶瓷上没有底部灌充。在这种条件下主要的机械问题是焊锡的疲劳寿命，这是由于大约3ppm(partspermillion)cte的芯片与大约6.5ppmcte的陶瓷之间的不匹配所引起的。由于封装经受温度循环，焊锡将受到剪切应力，造成最终失效。焊锡疲劳是焊接点中性点距离(dnp,distancefromtheneutralpoint)的函数，焊接点中性点通常是芯片的中心。随着dnp的增加，疲劳寿命减低。通常，dnp识芯片尺寸的函数，因此，随着芯片尺寸逐年增加，使用底部灌充来改善寿命已变成必要。
底部灌充材料基本上是高分子材料，其温度膨胀系数与焊锡的(20~30ppm)兼容或更低。底部灌充材料应该对芯片和芯片上的钝化层，以及对基板有很好的粘性。这样，底部灌充材料可减少焊锡内的剪切应力，因此大大地改善疲劳寿命。剪切应力的减少造成该封装弯曲的增加，在陶瓷封装的情况下不会引起重大关注。参考文献2详细地讨论了在陶瓷载体中底部灌充对倒装芯片可靠性的影响。
在陶瓷载体上非灌充的倒装芯片技术的问题是对芯片施加机械载荷，它造成载荷转移到锡球，反过来减少疲劳寿命。这个问题导致了温度管理方案，它提供从芯片背面的良好的温度路线，而不对芯片本身施加太大的机械载荷。这个温度管理的例子包括热脂(thermalgrease)和ibm导热模块，它有一个金属(铝或铜)活塞对芯片施加小的受控制的压缩载荷。底部充胶(u
