覆晶封裝（Flip Chip）是將裸晶（die）正面朝下，透過錫球或銅柱直接安裝到基板上。這種區域陣列的連接方式相較於傳統打線（wire-bonding），能大幅縮短路徑，從而降低電感並提高輸入/輸出（I/O）密度。底部填充膠（Underfill epoxy）則用於控制因熱膨脹係數不匹配引起的應力，並提升焊點可靠性。針對細間距的製程，通常會使用熱壓合配合非導電膠或非導電膜，並搭配模壓或毛細底部填充膠。

這些短而寬的互連結構能降低電源雜訊，並提供更好的散熱路徑，使 CPU、GPU、HBM（高頻寬記憶體）和 FCBGA 模組等得以在高電流和高頻寬下運作。當間距縮小至10 µm以下時，微凸塊會達到極限，需轉而採用銅混合接合（copper hybrid bonding）來達到更高的整合密度。在最新的設計中，覆晶封裝是實現上述目標的核心互連技術。

覆晶封裝結構與關鍵組成元件

半導體晶片

晶粒為矽基底，其鋁或銅焊墊會透過鈍化層開窗。焊墊上會製作凸塊下金屬層（UBM）堆疊，用於潤濕焊料、阻擋擴散並分散電流。重分佈層（RDL）可將焊墊重新排列成區域陣列，以實現高密度的I/O。凸塊下金屬層的設計直接決定了焊墊尺寸與可靠性極限。

導電凸塊

無鉛錫球（例如：錫-銀-銅合金）因成本和產能考量仍廣泛使用。銅柱（Copper Pillars）則在先進製程節點中，提供固定的間隙、更細的間距以及更優異的電流承載能力。此外，也可採用膠體路線，例如在較低熱量下使用異向導電薄膜（ACF）或等向導電膠（ICA），但需權衡電阻率和老化問題。請注意，這些選擇在製程窗口和可靠性方面存在顯著差異。

基板或中介層

有機基板（例如：BT/ABF 載板）因成本和佈線密度而在市場上佔主導地位。陶瓷基板（例如：AlN, LTCC）因其硬度和導熱性，適用於高頻或高熱元件。同時，矽中介層（Silicon Interposers）則實現了如HBM等 2.5D互連。玻璃核心基板具有極低的損耗和可調的CTE，並採用穿透玻璃導孔（Through-Glass Vias）。矽也支援MEMS和矽光子（silicon photonics）的共同封裝。這些選擇直接影響覆晶封裝的訊號完整性、翹曲和成本。

底部填充材料

底部填充膠是一種環氧樹脂，透過毛細作用滲入晶粒下方，固化後用於重新分佈CTE不匹配產生的應力。其附著力、模量、熱膨脹係數和 Tg（玻璃轉化溫度）是決定焊點疲勞壽命的關鍵因素。根據間距和產能需求，有毛細管型、免流動型（No-flow）和模塑型底部填充等變體。它是覆晶封裝中機械強度的核心。

封裝膠

模塑化合物（Mold Compounds）或包膠樹脂（Glob-top resins）用於提供環境保護，避免衝擊、濕氣和污染物。電磁相容性（EMC）特性也會影響封裝翹曲和濕氣敏感度等級，因此填料、模量和Tg都很重要。良好的濕氣控制能避免迴焊時發生「爆米花效應」和分層。在覆晶封裝中，EMC的選擇必須與底部填充膠和基板堆疊結構匹配。

覆晶組裝流程

• 晶片製備與凸塊成形：晶圓經過焊墊開窗，增加 UBM，並透過電鍍形成凸塊。銅柱在銅晶種層上生長，使用光阻來定義高度和直徑。凸塊上方的 Ni阻擋層和Sn-Ag蓋層能限制脆性金屬間化合物的形成。微凸塊的化學成分和電鍍速率決定了間距和間隙。這些步驟最終決定了覆晶組裝的I/O密度和共面性。
• 基板製備（助焊劑塗佈）：焊墊表面處理可使用ENEPIG或EPIG。助焊劑（Flux）透過浸漬、針轉移或網板印刷等方式塗佈以確保潤濕性。針對非常細的間距，也可使用噴射或噴霧法。在殘留物風險較高時，甲酸迴焊（Formic-acid reflow）可實現無助焊劑焊接。方法選擇取決於焊墊表面處理、氧化程度和間距。
• 精確晶粒貼合與對位：覆晶貼合機（Flip-chip bonders）能將晶粒放置在數微米的精度內。在迴焊過程中，表面張力會使晶粒自動對中，並修正微小的偏差。對於使用非導電膠的製程，熱壓合會同時施加熱量和壓力，以完成潤濕和固化。隨著凸塊間距縮小，精準貼合變得至關重要。
• 迴焊形成電氣/機械連接：受控的溫度曲線使焊料熔化、潤濕UBM和焊墊，並形成金屬間化合物。氮氣或甲酸環境可減少氧化並改善潤濕性。在液態階段，表面張力完成了最終的精確對位。對於最微小的間距，我們可能會在底部填充膠已存在的條件下，對每個零件進行加壓/加熱（熱壓合），而不是一次性烘烤所有零件。
• 底部填充點膠與固化：毛細管底部填充從晶粒邊緣滲入，固化後分佈CTE不匹配產生的應力。免流動型底部填充則在焊接過程中與焊料同步固化，以減少細間距製程的步驟。晶圓級或模塑型底部填充的選項則是在週期時間、空隙風險和返修能力之間進行權衡。空隙和不良的填角是限制可靠性的主要因素。
• 測試與檢測（電氣、X 光）：菊花鏈測試（Daisy-chain tests）用於篩查開路和短路。X光可顯示晶粒下方的搭橋和空隙。C-SAM（超音波掃描）則用於繪製晶粒、底部填充膠和基板介面的分層情況。這些檢查構成了覆晶組裝流程的最終閉環。

覆晶技術的關鍵要素：效能、材料與可靠性

效能要求

首先評估訊號完整性、供電能力和散熱需求。覆晶的短互連路徑可降低迴路電感和電壓降。銅柱支援細間距和高電流，並提供更好的間隙控制和更低的電氣雜訊。在佈局前，應對通道損耗和供電阻抗進行建模，以確認覆晶接合是正確的選擇。

材料相容性

根據操作條件選擇材料。有機ABF載板適用於高密度佈線，而陶瓷 AlN則適用於高接面溫度或低射頻損耗。應根據預期的工作週期，檢查CTE、Tg、Dk（介電常數）和耐濕性。透過熱循環數據驗證焊料合金和底部填充膠的效能。

製造能力

評估供應商的製程控制和檢測標準。審查貼片精度、迴焊氣氛，以及對TCB 或 NCF 的準備程度。甲酸迴焊可實現無助焊劑焊點並減少空隙。要求供應商遵守IPC-9701A電路板級可靠性標準，並正確處理濕氣敏感度等級。確保X光和C-SAM的檢測覆蓋範圍，並確認在您的目標間距下具有穩定的良率實績。

設計靈活性

規劃未來整合。矽中介層可提升頻寬和功率密度，而玻璃核心基板則可減少損耗並降低大型基板的翹曲。檢查供應鏈的中介層供應能力和面板尺寸。當需要擴展到2.5D/3D整合或共同封裝光學（CPO）時，覆晶技術通常是首選。

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