什么是C4技术？
C4，全称 Controlled Collapse Chip Connection，中文译为“可控塌陷芯片互连技术”，它是一种使用焊料凸块将芯片（如CPU、GPU）的焊盘与基板（如有机基板、陶瓷基板）的对应焊盘进行连接的微电子封装技术。
（图片来源网络，侵删）
其核心思想是：在芯片的I/O（输入/输出）焊盘上预先制作微小的、精确高度的焊料球（凸块），在回流焊接过程中，这些焊料球在表面张力的作用下，发生“可控的”熔融和塌陷，同时形成可靠的冶金连接，从而将芯片“悬挂”并固定在基板上。
C4技术的工作原理（核心步骤）
C4技术的过程可以分解为以下几个关键步骤：
凸块制作
- 在芯片上沉积UBM：在芯片的铝制I/O焊盘上，通过溅射或电镀的方式，沉积一层或多层金属，这层金属被称为凸块下金属层，UBM的作用是：
- 粘附层：确保焊料能牢固地附着在芯片焊盘上。
- 阻挡层：防止焊料中的铜或锡扩散到芯片的铝焊盘，导致性能退化。
- 润湿层：为后续的焊料提供良好的浸润性。
- 沉积焊料并形成凸块：在UBM上沉积焊料（通常是高铅焊料，如SnPb，或无铅焊料），然后通过光刻和蚀刻技术，定义出一个个微小的、特定直径和高度的圆柱形焊料球，即“凸块”。
芯片对准与放置
- 基板准备：在封装基板上，与芯片I/O焊盘相对应的位置，也制作有金属焊盘。
- 精确对准：使用高精度的贴片机，将芯片上的凸块阵列与基板上的焊盘阵列进行精确对准，对准精度要求极高，通常在微米级别。
回流焊接
这是C4技术的核心环节。
- 加热：将放置好芯片的基板送入回流焊炉中，加热到焊料的熔点以上（SnPb焊料的熔点约为183°C）。
- 熔融与塌陷：焊料球受热熔化，在表面张力的作用下，熔融的焊料会向两侧“塌陷”，形成一个短粗的“焊料柱”或“透镜”形状。
- 形成连接：熔融的焊料同时润湿芯片上的UBM和基板上的焊盘，在两者之间形成坚固的冶金结合，芯片被焊料“悬挂”在基板上方，两者之间留有一小段空隙。
底部填充（可选但常见）
为了进一步提高封装的可靠性,尤其是在应对热循环和机械冲击时，通常会在芯片和基板之间的缝隙中注入一种环氧树脂材料，称为底部填充胶。
（图片来源网络，侵删）
- 作用：
- 应力分散：固化后，底部填充胶能有效吸收和分散芯片与基板之间因热膨胀系数不匹配而产生的应力，防止焊点疲劳断裂。
- 保护：保护脆弱的C4焊点免受环境湿气和污染物的影响。
- 加固：增强芯片与基板的整体机械强度。
C4技术的核心优势
C4技术之所以成为高性能芯片封装的主流选择,主要得益于其以下几大优势：
-
极高的I/O密度：
- 凸块尺寸可以做得非常小（直径可小于100微米），间距也可以非常紧密。
- 这使得单个芯片可以拥有成千上万个I/O连接，满足了现代处理器（如拥有数千个针脚的CPU/GPU）对数据带宽的巨大需求。
-
出色的热机械可靠性：
- 应力吸收：在回流焊过程中，焊料形成的“自对中”效应和最终的形状，能有效地缓解芯片和基板之间因热膨胀系数差异而产生的热应力。
- 共面性容忍度高：即使芯片或基板存在轻微的翘曲，C4焊点也能通过焊料的塑性形变来适应，保证连接的可靠性。
-
优异的电性能：
（图片来源网络，侵删）- 短互连：芯片直接“倒扣”在基板上，信号传输路径非常短，大大减小了寄生电感和电容。
- 高频特性好：这使得C4技术非常适合高频、高速信号的传输，是保证处理器性能的关键。
-
工艺成熟且可扩展：
- C4技术是一项非常成熟的工艺,与半导体制造流程兼容性好。
- 它可以很好地扩展到更大尺寸的晶圆（如300mm晶圆）和更先进的封装技术中。
-
良好的散热性能：
芯片产生的热量可以直接通过大量的C4焊点传递到基板,基板通常带有散热层或散热器，形成高效的热传导路径。
C4技术的应用领域
由于其高性能和高可靠性的特点,C4技术主要应用于对性能和可靠性要求极高的领域：
- 高性能微处理器：如Intel和AMD的桌面、服务器及数据中心CPU。
- 图形处理器：如NVIDIA和AMD的GPU，它们拥有海量的I/O和极高的数据传输速率。
- 高端SoC（System on a Chip）：如用于智能手机、网络设备和人工智能加速器的复杂芯片。
- 多芯片模块：将多个芯片封装在一个基板上，C4是实现芯片间高速互连的理想选择。
- Flip-Chip（倒装芯片）封装：C4是Flip-Chip封装技术中最核心的互连方式。
C4技术的挑战与缺点
尽管优点众多,C4技术也存在一些挑战：
- 成本较高：UBM的制作、高精度的对贴设备以及回流焊工艺控制，都使得其成本高于传统的引线键合技术。
- 工艺复杂：涉及多个精密步骤，对工艺控制和洁净度要求极高。
- 返修困难：一旦芯片通过C4焊接到基板上，如果需要更换或修复，过程非常复杂且风险高，基本是不可逆的。
- 焊料可靠性问题：在高热循环下，焊料可能会发生疲劳、蠕变或形成金属间化合物，导致长期可靠性问题，这也是需要底部填充胶的主要原因。
可控塌陷芯片互连技术是现代半导体封装的基石之一，它通过精密的焊料凸块实现芯片与基板之间的高密度、高可靠性和高性能的电气连接，是支撑摩尔定律在封装层面持续发展、满足处理器性能爆炸式增长需求的关键技术，虽然存在成本和工艺上的挑战，但其无可替代的优势使其成为制造顶级计算芯片不可或缺的工艺。
