Flip chip (перевёрнутый кристалл) — это передовая технология монтажа полупроводникового кристалла (semiconductor die) непосредственно на подложку (substrate), печатную плату или другой кристалл. В отличие от традиционной корпусировки, активная сторона кристалла с контактными площадками (bond pads) обращена вниз, к монтажной поверхности. Электрическое и механическое соединение осуществляется через массив микроскопических токопроводящих выступов, расположенных на его поверхности. Эта технология, изобретённая в 1960-х годах компанией IBM (технология C4 — Controlled Collapse Chip Connection), обеспечивает максимальную плотность межсоединений, наименьшую паразитную индуктивность и наилучший тепловой режим среди всех методов монтажа кристаллов.
Конструкция и технология монтажа
Ключевыми элементами технологии flip chip являются:
-
Кристалл (die) с контактными площадками, на которые нанесены контактные выступы (bumps). Материалом выступов чаще всего служит припой (оловянно-свинцовый или бессвинцовый), но также используются золотые (gold stud bumps) или медные столбики (copper pillars).
-
Подложка (substrate) с соответствующим рисунком контактных площадок (capture pads), который точно совпадает с расположением выступов на кристалле.
Процесс монтажа включает три основных этапа: нанесение флюса (fluxing) или адгезива под кристалл (underfill) на подложку, точное совмещение (alignment) кристалла с помощью прецизионного оборудования и формирование соединения путём оплавления (reflow soldering). После пайки пространство между кристаллом и подложкой обычно заполняют полимерным компаундом (underfill), который компенсирует разницу коэффициентов теплового расширения (CTE) материалов и распределяет механические нагрузки, повышая надёжность.
Преимущества и области применения
Технология flip chip обеспечивает ряд преимуществ, делающих её стандартом для высокопроизводительных устройств:
-
Высочайшая плотность межсоединений (I/O density). Выступы могут располагаться по всей площади кристалла (area array), а не только по периметру.
-
Улучшенные электрические характеристики. Минимальная длина соединений (менее 1 мм) резко снижает паразитные индуктивность и ёмкость, что критично для высокоскоростных и СВЧ-устройств.
-
Эффективный теплоотвод. Тепло от активной поверхности кристалла отводится напрямую через выступы на подложку, которая часто имеет эффективные тепловые переходы (thermal vias) или металлическое основание.
Области применения включают высокопроизводительные микропроцессоры, графические процессоры (GPU), чипы памяти высокой пропускной способности (HBM), антенные модули 5G, а также миниатюрные датчики и MEMS-устройства. Технология является основой для создания систем-на-кристалле (SoC) и 3D-интеграции (3D packaging).
Особенности для контрактного производства
Внедрение сборки по технологии flip chip в контрактном производстве требует наличия высокоточного и специализированного оборудования: установок для нанесения выступов (Wafer bumping), прецизионных монтажников (die bonders), печей для оплавления с контролируемой атмосферой и установок для дозирования компаунда (underfill dispenser). Контроль качества таких сборок невозможен без применения автоматизированных систем оптической (AOI) и рентгеновской (X-ray) инспекции для проверки совмещения, целостности соединений и качества заполнения подкристального пространства.
Источники: Стандарты IPC-7091 (Design and Assembly Process Implementation for Flip Chip), JEDEC JESD22-B111 (Board Level Drop Test Method), исторические и технические публикации IBM по технологии C4, специализированная литература по передовым методам корпусирования.