Flipchip är en lovande byggsättsteknik som har funnits i över 30 år och som nu börjar att sprida sig, även i Sverige. Ericsson Components planerar införa flipchipteknik för RF-kretsar i områden över 1 GHz. Nästa år planerar företaget att tillverka moduler med flipchipteknik i stora volymer i Kistafabriken. Enligt Ericsson är detta bara början.
- Flipchiptekniken är en nära nog idealisk metod för miniatyrisering av kretsar och ett rejält steg framåt från CSP-kapseln, säger Einar Mårtensson som är en av initiativtagarna för introduktionen av flipchip på Ericsson Components. - Vi ser flipchip som en möjlighet att kunna erbjuda mindre och billigare modulkretsar, med goda prestanda.
 
Einar Mårtensson tror att flipchip kommer att slå igenom på bred front inom de närmaste åren i samband med ökade krav på högre packningstäthet, högre tillförlitlighet och lägre kostnad. Flipchip uppnår alla dessa krav genom att förbinda okapslade integrerade kretsar direkt på substrat. Man kan också erhålla snabbare signaltransmission än vid traditionell trådbondning. - I vissa tillämpningar räcker kapslar och trådbondning inte längre till, säger han. Ericsson har valt att implementera en standard flipchipteknik, nämligen lödning av kretsar med lödbumpar mot ett keramiskt substrat. - Vi håller på att utvärdera monteringsutrustningar och bygger prototypkretsar för att utvärdera tekniken, säger Einar Mårtensson.

Snabbare, billigare och mindre
Ericsson vill inte avslöja detaljerna om vilka RF-kretsar som först ska användas. Men det verkar bli ett betydande införande av flipchipförbindning inom Ericsson Components, ett företag som varje år tillverkar miljontals moduler med linjegränssnitt, RF- och optofunktioner samt DC-DC-omvandlare. Frågan är varför Ericsson har väntat så länge med att implementera tekniken. Flipchip är en snabbare, billigare och enklare byggsättsteknik än traditionell trådbondning som dominerar idag.
 
Mitel i Järfälla har ju arbetat med flipchiptekniken i över sju år, och tillverkar bland annat drivkretsar till skrivare och bläcksprutare, med planer att tillverka flipchipmonterade hörapparater och pacemakers i framtiden. Flipchiptekniken används idag i stora volymer inom bilelektronik och konsumentelektronik världen runt. Ett bra exempel är bilelektroniktillverkaren Delphi Delco Electronics i USA, som dagligen monterar 600 000 flipchipkretsar. Delco började satsa på flipchip 1969 för att förbättra tillförlitligheten i bilelektronik och så småningom också för att reducera systemkostnader. Den senaste statistiken från företaget visar ett mycket lågt felutfall på 4 ppb (miljarddelar) på grund av lödbumparna. Och detta är i den svåra bilmiljön.
 
- Om flipchipkretsar användas i bilens tuffa miljöer, borde de användas i radiobasstationer, resonerar Arne Tolvgård från Ericsson Radio Systems. Han bevakar flipchiputvecklingen samt driver forskningsprojekt inom området på Ericsson. än så länge använder inte Ericsson flipchip i sina basstationer. - Orsaken till att vi inte har använt flipchip är att det tar tid att gå över till en ny teknik, och flipchip har hitintills inte varit mogen nog. Dagens knivskarpa marknad visar dock att vi måste gå åt det hållet för att vara ledande inom våra områden, säger Einar Mårtensson.

Klarar radiofrekvenser
Med flipchip kan man packa över 500 in- och utgångar på en liten chiparea, medan trådbondning kräver större yta just för att få plats med lödöarna som mäter ungefär 50 ¥ 50 µm. Trådbondning klarar inte av den täta packning som krävs i 0,18 µm-processer. Flipchip är därför billigare för konstruktioner med fler än 500 in- och utgångar.
 
Genom att sprida effekt- och jordningslödkulorna runt hela chiparean får man också en jämnare kraftdistribution. Kretsen får då inget spänningsfall från chipcentrum mot kanterna, som vid trådbondning. Detta är särskilt viktigt i kretsar med strömförbrukning högre än 20 W och spänning mindre än 3,3 V, något som börjar blir allt vanligare. En annan fördel med flipchip är att man vid höga frekvenser får snabbare signaltransmission än för trådbondning. Parasitinduktanser från själva trådarna minskar kretsens prestanda vid frekvenser högre än 300 MHz. Flipchip ger korta förbindningar utan trådar och därför låg induktans. På så sätt klarar man frekvenser upp till RF-nivå.

Nu även organiskt substrat
Visst finns det problem med övergången till flipchip också. Kostnaden för substratet är ibland så hög som 50 procent av hela kapslingskostnaden. Idag är det fortfarande svårt att hitta ett substrat som prismässigt kan konkurrera med trådbondning. Man kan välja bland annat mellan laminat- (PCB), keramik-, eller kiselsubstrat. På Delco använder man en standardlödningsprocess på ett keramiksubstrat med en upplösning under 200 µm. Nyligen har företaget utvecklat en modul för motorstyrning i flipchip, monterat på ett organiskt substrat, ett så kallat laminat. Modulen finns idag som prototyp version och förväntas finnas i bilar först år 2000.
 
- Från ett systemperspektiv blev laminatet billigare än keramik, säger Daniel Ward, ansvarig för flipchiputvecklingen på Delco. Flipchipförbindning behöver en plan yta, medan laminatet ibland kan vara ojämnt. Det är därför svårare att förbinda kretsar på laminat än på keramik. Ett annat problem är att bärarna måste anpassas till de nya kompakta byggsätten. Ju finare mönsterteknik man kan ha på substratet desto finare delning kan man ha på lödkulorna. Ett sätt att få findelning är genom mikroviahål med storlekar ner till 50 µm. Substrat med mikroviahål kostar dock mera än med vanliga kretskort. Metoden används därför helst för små ytor, till exempel i flerchipmoduler.

Köpa bumpningstjänster
En praktisk svårighet är också att skivan måste testas med probar utan att skada den bumpade skivan. All testning av okapslade komponenter måste göras redan på skivnivå. Det finns ett antal företag som idag erbjuder lödbumpningstjänster på skivor i höga volymer. Flipchip Technologies i Arizona är ett sådant, bildat för två år sedan av Delco och halvledartillverkaren Kulicke & Soffa. Förutom bumpningstjänster säljer företaget en miniatyriserad CSP-kapsel avsedd för flashminnen.
 
Det går lysande bra för Flipchip Technologies. Företaget bumpar 15 000 skivor per vecka med många fler kunder än Delco. - Idag är marknaden för flipchip ganska liten; mindre än en procent av alla integrerade kretsar är kapslade i flipchip. Inom fem år tror vi att marknaden växer till fem procent, säger Peter Elenius från Flipchip Technologies. Peter Elenius kommer ursprungligen från IBM där han jobbade med flipchip i många år. Eftersom mycket av hans tid går åt att globalt marknadsföra flipchip har han en bra uppfattning om vad som pågår inom området. - Mikroprocessorer i arbetsstationer är nästan 100 procent flipchipmonterade idag, och övergången till flipchip för mikroprocessor till datorer går fort.
 
- även för styrkretsar och digitala signalprocessorer kommer man också snart att använda flipchip. Det gäller särskilt i bärbara produkter då vikt och storlek är kritiska faktorer. - Telekominriktade asicar med många in- och utgångar monteras också oftast med flipchip, säger Peter Elenius Susan Kelly