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Wire bonding vs flip chip : comparaison des interconnexions de puce

Ce sont les deux principales manières de connecter une puce à son boîtier. En wire bonding, la puce est posée face vers le haut et de fins fils métalliques relient ses plots périphériques au boîtier. En flip chip, la puce est retournée face vers le bas et des bumps en soudure ou en cuivre à sa surface se connectent directement au substrat. Le wire bonding est bon marché et souple ; le flip chip permet beaucoup plus de connexions, des chemins plus courts et de meilleures performances électriques.

CritèreWire bondingFlip chip
ConnexionFils fins (or, cuivre ou aluminium, environ 15 à 50 µm) soudés des plots de la puce au boîtierBumps en soudure ou en cuivre à la surface de la puce, reliés directement au substrat
Orientation de la puceFace vers le hautFace vers le bas
Emplacement et nombre des I/OPlots en périphérie de la puce uniquement ; de quelques centaines à environ un millier de connexionsBumps sur toute la surface (matrice surfacique) ; des milliers de connexions
Performances électriquesLes fils longs ajoutent de l'inductance et de la résistance, ce qui limite la vitesse et l'alimentationLes chemins courts donnent une faible inductance et une meilleure intégrité du signal et de l'alimentation
Chemin thermiqueLa chaleur s'évacue principalement par la face arrière de la puce vers la brasure de reportLa face arrière de la puce peut toucher directement un diffuseur thermique ou un dissipateur
ProcédéChaque fil est soudé l'un après l'autre, ce qui est plus lentTous les bumps sont reliés en une fois par refusion, et une résine d'underfill est ajoutée pour soulager les contraintes
Taille du boîtierPlus grande : il faut de la place autour de la puce pour les filsPlus petite
CoûtFaible : mature, souple et sans bumping de la pucePlus élevé : bumping, substrat plus fin et underfill nécessaires
Usages typiquesMémoires, microcontrôleurs, puces analogiques, LED et produits à bas coûtCPU, GPU, SoC et autres puces rapides à grand nombre de broches

Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur typiques et varient selon la génération de procédé et le produit.

Quand choisir l'un ou l'autre ?

Wire bonding
Lorsque le nombre de broches est modeste et que le coût prime : la plupart des microcontrôleurs, mémoires et composants analogiques.
Flip chip
Lorsqu'il faut des milliers de connexions, une vitesse élevée ou une forte puissance : processeurs et puces haute performance.
Remarque
Les bumps du flip chip sont aussi le point de départ du packaging avancé, où des micro-bumps beaucoup plus petits relient des puces empilées.

Questions fréquentes

Pourquoi le flip chip permet-il plus de connexions ?

Les bumps peuvent être répartis sur toute la surface de la puce (matrice surfacique), tandis que le wire bonding n'utilise que des plots en périphérie : le flip chip peut donc offrir des milliers de connexions.

Le wire bonding est-il obsolète ?

Non. Il est bon marché, souple et mature, et reste utilisé pour la plupart des microcontrôleurs, des mémoires et des puces analogiques.

Qu'est-ce que l'underfill ?

Une résine injectée entre une puce flip chip et son substrat pour soulager les contraintes sur les joints des bumps causées par la différence de dilatation thermique.

Lequel offre les meilleures performances électriques ?

Le flip chip, car ses connexions sont courtes et ont une faible inductance. Les longs fils de bonding limitent la vitesse et l'alimentation.

Vérifier vos connaissances

Quelle description du câblage par fils (wire bonding) est correcte ?

  1. AMéthode qui relie par de fins fils métalliques les plots d’électrode de la puce à la grille de connexion ou au substrat
  2. BMéthode qui retourne la puce et la relie directement au substrat par des bossages
  3. CMéthode qui encapsule la puce dans une résine
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Réponse : A. Méthode qui relie par de fins fils métalliques les plots d’électrode de la puce à la grille de connexion ou au substrat

Le câblage par fils relie les plots d’électrode de la puce aux bornes de la grille de connexion ou du substrat par de fins fils d’or, de cuivre, d’aluminium, etc. Les métaux sont soudés par pression et ultrasons, avec un chauffage d’environ 150 à 200 ℃. Peu coûteux en équipement et souple dans le routage, il reste la méthode de connexion la plus utilisée en volume de production. La connexion par bossages après retournement de la puce est la flip chip, et l’enrobage dans la résine est le moulage (encapsulation).

Quelle description du montage flip chip est correcte ?

  1. AMéthode qui expédie la puce sans encapsulation en résine
  2. BMéthode qui tourne la face active de la puce vers le bas et la relie directement au substrat par des bossages
  3. CMéthode qui monte la puce verticalement par rapport au substrat
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Réponse : B. Méthode qui tourne la face active de la puce vers le bas et la relie directement au substrat par des bossages

La flip chip relie au substrat la puce retournée, par l’intermédiaire de bossages de brasure ou de piliers de cuivre formés sur sa face active. Les connexions étant plus courtes qu’avec des fils, l’inductance est faible, ce qui favorise les signaux rapides et l’alimentation ; les bornes pouvant couvrir toute la surface de la puce, elle convient aussi aux milliers de broches. Elle trouve son origine dans le C4 développé par IBM dans les années 1960. Elle n’a rien à voir avec l’expédition sans encapsulation ni avec le montage vertical.

En montage flip chip, quel est le but principal du remplissage de l’espace entre puce et substrat par une résine d’underfill ?

  1. AEmpêcher la concentration sur les bossages des contraintes dues à la différence de dilatation thermique entre puce et substrat, et améliorer la fiabilité des connexions
  2. BFaire émettre de la lumière par la puce
  3. CEntraver la dissipation thermique de la puce
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Réponse : A. Empêcher la concentration sur les bossages des contraintes dues à la différence de dilatation thermique entre puce et substrat, et améliorer la fiabilité des connexions

Le coefficient de dilatation thermique du silicium (environ 3 ppm/K) diffère fortement de celui des substrats organiques (environ 15 à 17 ppm/K) ; à chaque variation de température, les petits bossages subissent des déformations répétées et risquent de se fissurer par fatigue. En remplissant l’espace entre puce et substrat de résine d’underfill, puce et substrat forment un ensemble, les contraintes se répartissent sur tous les bossages et la durée de vie des connexions augmente fortement. On l’injecte généralement dans l’interstice par capillarité.

  1. Quelle est la caractéristique du boîtier BGA (Ball Grid Array) ?
  2. Quel est le principal avantage de l'utilisation de piliers en cuivre (Cu pillars) à la place de billes de brasure en connexion flip-chip ?
  3. Comment appelle-t-on les bossages, beaucoup plus petits que les billes de brasure ordinaires, utilisés pour connecter des puces empilées par TSV ou une puce à un interposeur ?

Questions d'entraînement sur Boîtiers et assemblage

Termes clés expliqués

Câblage par fil (wire bonding)
Méthode de connexion qui relie les plots d'électrode de la puce à la grille de connexion ou au substrat par de fins fils métalliques en or, en cuivre, etc.
Flip-chip
Technique d'assemblage où la puce est retournée face active vers le bas et connectée directement au substrat par des bumps. Connexions courtes, adaptée aux nombreuses broches.
BGA
Ball Grid Array. Boîtier pour grand nombre de broches dont la face inférieure porte des billes de soudure disposées en grille.
Micro-bump
Bump bien plus petit qu'une bille de soudure ordinaire, utilisé pour relier des puces empilées par TSV ou une puce et un interposeur. Son pas est de l'ordre de quelques dizaines de µm.

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