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器件的小型化高密度封装形式越来越多,如多模块封装(MCM)、系统封装(SiP)、倒装芯片( FC ,Flip-Chip)等应用得越来越多。这些 技术的浮现更加模糊了一级封装与二级装配之间的界线。毋庸置疑,随着小型化高密度封装的浮现,对高速与高精度装 配的规定变得更加核心,有关的组装设备和工艺也更具先进性与高灵活性。
由于倒装芯片比BGA或CSP 具有更小的外形尺寸、更小的球径和球间距、它对植球工艺、基板技术、材料的兼容性、制造工艺,以及检查设备和措施提出了前所未有的挑战。
倒装芯片的发展历史
倒装芯片的定义 ﻫ什么器件被称为倒装芯片?一般来说,此类器件具有如下特点:;
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-14mil、-8mil、外形尺寸为1-27mm;ﻫ4. 组装在基板上后需要做底部填充。
其实,倒装芯片之因此被称为“倒装”,是相对于老式的金属线键合连接方式(WireBonding)与植球后的工艺而言的。老式的通过金属线键合与基板连接的芯片电气面朝上(图1),而倒装芯片的电气面朝下(图2),相称于将前者翻转过来,故称其为“倒装芯片”。在圆片(Wafer) 上芯片植完球后(图3),需要将其翻转,送入贴片机,便于贴装,也由于这一翻转过程,而被称为“倒装芯片”。
图1
图2
图3
倒装芯片的历史及其应用
倒装芯片在1964年开始浮现,1969年由IBM发明了倒装芯片的C4工艺(ControlledCollapseChip Connection,可控坍塌芯片联接)。过去只是比较少量的特殊应用,近几年倒装芯片已经成为高性能封装的互连措施,它的应用得到比较广泛迅速的发展。目前倒装芯片重要应用在Wi-Fi、SiP、MCM、图像传感器、微解决器、硬盘驱动器、医用传感器,以及RFID等方面(图5)。
图4
图5
与此同步,它已经成为小型I/O应用有效的互连解决方案。随着微型化及人们已 接受SiP,倒装芯片被视为多种针脚数量低的应用的首选措施。从整体上看,其在低端应用和高品位应用中的采用,根 据TechSearchInternationalInc对市场容量的估计,焊球凸点倒装芯片的年复合增长率(CAGR)将达到31%。
倒装芯片应用的直接驱动力来自于其优良的电气性能,以及市场对终端产品尺寸和成本的规定。在功率及电信号的分派,减少信号噪音方面体现杰出,同步又能满足高密度封装或装配的规定。可以预见,其应用会越来越广泛。
倒装芯片的组装工艺流程
一般的混合组装工艺流程
在半导体后端组装工厂中,目前有两种模块组装措施。在两次回流焊工艺中,先在单独的SMT生产线上组装SMT器件,该生产线由丝网印刷机、贴片机和第一种回流焊炉构成。然后再通过第二条生产线解决部分组装的模块,该生产线由倒装芯片贴片机和回流焊炉构成。底部填
充工艺在专用底部填充生产线中完毕,或与倒装芯片生产线结合完毕。
图6
倒装芯片的装配工艺流程简介
相对于其他的IC器件,如BGA、CSP等,倒装芯片装配工艺有其特殊性,该工艺引入了助焊剂工艺和底部填充工艺。由于助焊剂残留物(对可靠性的影响)及桥连的危险,将倒装芯片贴装于锡膏上不是一种可采用的装配措施。业内推出了无需清洁的助焊剂,芯片浸蘸助焊剂工艺成为广泛使用的助焊技术。目前重要的替代措施是使用免洗助焊剂,将器件浸蘸在助焊剂薄膜里让器件焊球蘸取一定量的助焊剂,再将器件贴装在基板上,然后回流焊接;或者将助焊剂预先施加在基板上,再贴装器件与回流焊 接。助焊剂在回流之前起到固定器件的作用,回流过程中起到润湿焊接表面增强可焊性的作用。
倒装芯片焊接完毕后,需要在器件底部和基板之间填充一种胶(一般为环氧树酯材料)。底部填充足为于“毛细流动原理”的流动性和非流动性(No-follow)底部填充。
上述倒装芯片组装工艺是针对C4器件(器件焊凸材料为SnPb、SnAg、SnCu或SnAgCu)而言。此外一种工艺是 运用各向异性导电胶(ACF)来装配倒装芯片。预先在基板上施加异性导电胶,贴片头用较高压力将器件贴装在基板 上,同步对器件加热,使导电胶固化。该工艺规定贴片机具有非常高的精度,同步贴片头具有大压力及加热功能。
对于非C4器件(其焊凸材料为Au或其他)的装配,趋向采用此工艺。这里,我们重要讨论C4工艺,下表列出的是倒装芯片植球(Bumping)和在基板上连接的几种方式。
倒装倒装芯片几何尺寸可以用一种“小”字来形容:焊球直径小(),焊球间距小(),外形尺寸小(1mm2)。要获得满意的装配良率,给贴装设备及其工艺带来了挑战,随着焊球直径的缩小,贴装精度规定越来越高,目前12μm甚至10μm的精度越来越常用。贴片设备照像机图形解决能力也十分核心,小的球径小的球间距需要更高像素的像机来解决。
随着时间推移,高性能芯片的尺寸不断增大,焊凸(SolderBump)数量不断提高,基板变得越来越薄,为了提高产品可靠性底部填充成为必须。
图7
图8
对贴装压力控制的规定
考虑到倒装芯片基材是比较脆的硅,若在取料、助焊剂浸蘸过程中施以较大的压力容易将其压裂,同步细小的焊凸在此过程中也容易压变形,因此尽量使用比较低的贴装压力。一般规定在150g左右。对于超薄形芯片,,有时甚至规定贴装压力控制在35g。
对贴装精度及稳定性的规定
,需要如何的贴装精度才干达到较高的良率?基板的翘曲变形,阻焊膜窗口的尺寸和位置偏差,以及机器的精度等,都会影响到最后的贴装精度。有关基板设计和制造的状况对于贴装的影响,我们在此不作讨论,这里我们只是来讨论机器的贴装精度。
芯片装配工艺对贴装设备的规定
为了回答上面的问题,我们来建立一种简朴的假设模型:
,基板上相应的焊盘为圆形,且具有相似的直径;
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,器件具有自对中性,焊球与润湿面50%的接触在焊接过程中可以被“拉正”。
那么,基于以上的假设,直径25μm的焊球如果其相应的圆形焊盘的直径为50μm时,左右位置偏差(X轴)或前后位置偏差(Y轴)在焊盘尺寸的50%,焊球都始终在焊盘上(图9)。对于焊球直径为25μm的倒装芯片,,规定机器的最小精度必须达到12μ******@3sigma。
图9
对照像机和影像解决技术的规定
要解决细小焊球间距的倒装芯片的影像,需要百万像素的数码像机。较高像素的数码像机有较高的放大倍率,但是,像素越高视像区域(FOV)越小,这意味着大的器件也许需要多次“拍照”。照像机的光源一般为发光二极管,分为侧光源、前光源和轴向光源,并可以单独控制。倒装芯片的的成像光源采用侧光、前光,或两者结合。
那么,对于给定器件如何选择像机呢?这重要依赖图像的算法。譬如,辨别一种焊球需要N个像素,则辨别球间距需要2N个像素。以环球仪器的贴片机上Magellan数码像机为例,其辨别一种焊球需要4个像素,我们用来看不同的焊球间隙所规定的最大的像素应当是多大,这便于我们根据不同的器件来选择相机,假设所有的影像是实际物体尺寸的75%。
倒装芯片基准点(Fiducial)的影像解决与一般基准点相似。倒装芯片的贴装往往除整板基准点外(Globalfiducial)会使用局部基准点(Localfiducial),此时的基准点会较小(-),像机的选择参照上面的方法。对于光源的选择需要斟酌,一般贴片头上的相机光源 都是红光,在解决柔性电路板上的基准点时效果很差,甚至找不到基准点,其因素是基准点表面(铜)的颜色和基板颜色非常接近,色差不明显。如果使用环球仪器的蓝色光源专利技术就较好的解决了此问题。
图10
吸嘴的选择
由于倒装芯片基材是硅,上表面非常平整光滑,最佳选择头部是硬质塑料材料具多孔的ESD吸嘴。如果选择头部为橡胶的吸嘴,随着橡胶的老化,在贴片过程中也许会粘连器件,导致贴片偏移或带走器件。
对助焊剂应用单元的规定
助焊剂应用单元是控制助焊剂浸蘸工艺的重要部分, 其工作的基本原理就是要获得设定厚度的稳定的助焊剂薄膜,以便于器件各焊球蘸取的助焊剂的量一致。 要精确稳定的控制助焊剂薄膜的厚度,同步满足高速浸蘸的规定,该助焊剂应用单元必须满足如下规定:
(犹如步浸蘸4或7枚)提高产量;
、易操作、易控制、易清洁;
,适合浸蘸工艺的助焊剂粘度范畴较宽,对于较稀和较粘的助焊剂都 要能解决,并且获得的膜厚要均匀;
,浸蘸的工艺参数因材料的不同而会有差别,因此浸蘸过程工艺参数必须可以单独控制,如往下的加速度、压力、停留时间、向上的加速度等。
图11
对供料器的规定
要满足批量高速高良率的生产,供料技术也相称核心。倒装芯片的包装方式重要有这样几种:2×2或4×4英JEDEC盘、200mm或300mm圆片盘(Wafer)、尚有卷带料盘(Reel)。相应的供料器有:固定式料盘供料器 (Stationarytrayfeeder),自动堆叠式送料器(Automated stackable feeder),圆片供料器(Wafer feeder),以及带式供料器。
所有这些供料技术必须具有精确高速供料的能力,对于圆片供料器还规定其能解决多种器件包装方式,譬如:器件包装可以是JEDEC盘、或裸片,甚至完毕芯片在机器内完毕翻转动作。
(DDF DirectDie Feeder)特点:
·可用于混合电路或感应器、多芯片模组、系统封装、RFID和3D装配
·圆片盘可以竖着进料、节省空间,一台机器可以安装多台DDF
·芯片可以在DDF内完毕翻转
·可以安装在多种贴片平台上,如:环球仪器、西门子、安必昂、富士
对板支撑及定位系统的规定
有些倒装芯片是应用在柔性电路板或薄型电路板上,这时候对基板的平整支撑非常核心。解决方案往往会用到载板和真空吸附系统,以形成一种平整的支撑及精确的定位系统,满足如下规定:
,支撑高度编程调节;
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