倒裝芯片工藝挑戰(zhàn)SMT組裝

1、倒裝芯片工藝挑戰(zhàn) SMT 組裝1 引言20 世紀(jì) 90 年代以來， 移動電話、 個人數(shù)字助手 (PDA)、 數(shù)碼相機等消費類電子產(chǎn)品的體積越來越小，工作速度越 來越快，智能化程度越來越高。這些日新月異的變化為電 子封裝與組裝技術(shù)帶來了許多挑戰(zhàn)和機遇。材料、設(shè)備性 能與工藝操縱能力的改進(jìn)使越來越多的 EMS公司能夠躍過 標(biāo)準(zhǔn)的表面安裝技術(shù) (SMT)直截了當(dāng)進(jìn)入先進(jìn)的組裝技術(shù) 領(lǐng)域，包括倒裝芯片等。由于越來越多的產(chǎn)品設(shè)計需要持 續(xù)減小體積，提升工作速度，增加功能，因此能夠估量， 倒裝芯片技術(shù)的應(yīng)用范疇將持續(xù)擴(kuò)大，最終會取代SMT當(dāng)前的地位，成為一種標(biāo)準(zhǔn)的封裝技術(shù)。多年以來，半導(dǎo)體封裝公司與 EM

2、S公司一直在攜手合 作，在發(fā)揮各自特長的同時又參與對方領(lǐng)域的技術(shù)業(yè)務(wù)， 力爭使自己的技術(shù)能力更加完善和全面。在半導(dǎo)體工業(yè)需 求日益增加的環(huán)境下，越來越多的公司開始提供 " 完整 的解決方案 " 。這種趨同性是人們所期望看到的，但同 時雙方都會面臨一定的挑戰(zhàn)。例如，以倒裝芯片 BGA或系統(tǒng)封裝模塊為例，隨著采納先進(jìn)技術(shù)制造而成的產(chǎn)品的類型由板組裝方式向元件組 裝方式的轉(zhuǎn)變，以往看起來不太重要的諸多因素都將發(fā)揮 至關(guān)重要的作用?；ミB應(yīng)力不同了，材料的不兼容性增加 了，工藝流程也不一樣了。不論你的新產(chǎn)品類型是否需要 倒裝芯片技術(shù)，不論你是否認(rèn)為采納倒裝芯片的時刻合適 與否，明白得

3、倒裝芯片技術(shù)所存在的諸多挑戰(zhàn)差不多上十 分重要的。2 倒裝芯片技術(shù)" 倒裝芯片技術(shù) " ，這一名詞包括許多不同的方 法。每一種方法都有許多不同之處，且應(yīng)用也有所不同。 例如，就電路板或基板類型的選擇而言，不管它是有機材 料、陶瓷材料依舊柔性材料， 都決定著組裝材料 （ 凸點類型、 焊劑、底部填充材料等 ） 的選擇，而且在一定程度上還決定 著所需設(shè)備的選擇。在目前的情形下，每個公司都必須決 定采納哪一種技術(shù)，選購哪一類工藝部件，為滿足以后產(chǎn) 品的需要進(jìn)行哪一些研究與開發(fā)，同時還需要考慮如何將 資本投資和運作成本降至最低額。在 SMT環(huán)境中最常用、最合適的方法是焊膏倒裝芯片 組

4、裝工藝。即使如此，為了確?？芍圃煨?、可靠性并達(dá)到 成本目標(biāo)也應(yīng)考慮到該技術(shù)的許多變化。目前廣泛采納的 倒裝芯片方法要緊是按照互連結(jié)構(gòu)而確定的。如，柔順凸 點技術(shù)的實現(xiàn)要采納鍍金的導(dǎo)電聚合物或聚合物彈性體凸點焊柱凸點技術(shù)的實現(xiàn)要采納焊球鍵合 ( 要緊采納金線 ) 或電鍍技術(shù)，然后用導(dǎo)電的各向同性粘接劑完成組裝。工 藝中不能對集成電路 (1C) 鍵合點造成阻礙。在這種情形下 就需要使用各向異性導(dǎo)電膜。焊膏凸點技術(shù)包括蒸發(fā)、電 鍍、化學(xué)鍍、模版印刷、噴注等。因此，互連的選擇就決 定了所需的鍵合技術(shù)。通常，可選擇的鍵合技術(shù)要緊包括： 再流鍵合、熱超聲鍵合、熱壓鍵合和瞬態(tài)液相鍵合等。上述各種技術(shù)都有利也

5、有弊，通常都受應(yīng)用而驅(qū)動。 但就標(biāo)準(zhǔn) SMT工藝使用而言，焊膏倒裝芯片組裝工藝是最 常見的，且已證明完全適合 SMT。3 焊膏倒裝芯片組裝技術(shù) 傳統(tǒng)的焊膏倒裝芯片組裝工藝流程包括：涂焊劑、布 芯片、焊膏再流與底部填充等。但為了桷保成功而可靠的 倒裝芯片組裝還必須注意其它事項。通常，成功始于設(shè)計。首要的設(shè)計考慮包括焊料凸點和下凸點結(jié)構(gòu)，其目的 是將互連和 IC 鍵合點上的應(yīng)力降至最低。如果互連設(shè)計適 當(dāng)?shù)脑?，已知的可靠性模型可推測出焊膏上將要顯現(xiàn)的咨 詢題。對 IC 鍵合點結(jié)構(gòu)、鈍化、聚酰亞胺開口以及下凸點 治金(UBM)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的設(shè)計即可實現(xiàn)這一目的。鈍化開口的設(shè)計必須達(dá)到下列目的：降低電

6、流密度；減小集中應(yīng) 力的面積；提升電遷移的壽命；最大限度地增大UBM和焊料凸點的斷面面積。凸點位置布局是另一項設(shè)計考慮，焊料凸點的位置盡 可能的對稱，識不定向特點 （ 去掉一個邊角凸點 ） 是個例外。 布局設(shè)計還必須考慮順流切片操作可不能受到任何干擾。 在 IC 的有源區(qū)上布置焊料凸點還取決于 IC 電路的電性能 和靈敏度。除此之外，還有其它的 IC 設(shè)計考慮，但晶片凸 點制作公司擁有專門的 IC 焊點與布局設(shè)計準(zhǔn)則來保證凸點 的可靠性，從而可確?；ミB的可靠性。要緊的板設(shè)計考慮包括金屬焊點的尺寸與有關(guān)的焊料 掩模開口。第一，必須最大限度地增加板焊點位置的潤濕 面積以形成較強的結(jié)合點。但必須注意

7、板上潤濕面積的大 小應(yīng)與 UBM的直徑相匹配。這有助于形成對稱的互連，并 可幸免互連一端的應(yīng)力高于另一端，即應(yīng)力不均衡咨詢題。 實際上，設(shè)計時，通常會采納使板的焊點直徑略大于 UBM 直徑的方法，目的是將接合應(yīng)力集中在電路板一端，而不 是較弱的 IC 上。對焊膏掩模開口進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)計能夠操縱 板焊點位置上的潤濕面積。既可采納焊膏掩模設(shè)計也可采納無焊膏掩模設(shè)計，但 將這兩種方法結(jié)合起來的設(shè)計是最可靠的設(shè)計手段。在有關(guān)的電路板圖形上使用矩形開口并將焊膏掩模的清晰度也 考慮在內(nèi)即可設(shè)計出恰當(dāng)?shù)陌搴更c位置。如果設(shè)計不合理， 一旦組裝環(huán)境發(fā)生變化或機械因數(shù)有所改變， IC 就會顯現(xiàn) 焊膏疲勞斷裂。采納底

8、部填料的方法的確能夠極大地提升 倒裝芯片元件互連的可靠性，但如果不嚴(yán)格遵循設(shè)計準(zhǔn)則 的話依舊不可幸免地會產(chǎn)生同樣的失效機理。4 晶片的凸點制作切片焊料凸點的作用是充當(dāng) IC 與電路板之間的機械互連、 電互連、有時還起到熱互連的作用。在典型的倒裝芯片器 件中， 互連由 UBM和焊料凸點本身構(gòu)成。 UBM搭接在晶片鈍 化層上，以愛護(hù)電路不受外部環(huán)境的阻礙。實際上， UBM充 當(dāng)著凸點的基底。它具有極佳的與晶片金屬和鈍化材料的 粘接性能，充當(dāng)著焊膏與 IC 鍵合金屬之間的焊膏擴(kuò)散層， 同時還為焊膏提供氧化勢壘潤濕表面。 UBM疊層對降低 IC 焊點下方的應(yīng)力具有十分重要的作用。如前所述，焊料凸點制作

9、技術(shù)的種類專門多。采納蒸 發(fā)的方法需要在晶片表面上濺射勢壘金屬 （ 采納掩?；蛴?光刻作為輔助手段 ） 形成 UMB，然后蒸發(fā) Sn和 Pb形成焊料。 在隨后的工藝中對 Sn和 Pb 焊料進(jìn)行再流，形成球形凸點。 這一技術(shù)專門適用于采納耐高溫陶瓷基板的含鉛量較高的 凸點（ 相對易熔焊料凸點而言 ） 。但對有機電路板上的 SMT 應(yīng)用而言， IC 上的高鉛焊料凸點還需要采納易熔焊料來形 成互連。低成本的凸點制作技術(shù)，如電鍍或模版印刷 （ 與濺射或 化學(xué)鍍 UBM相結(jié)合 ） 差不多上目前常用的制作工藝。這些工 藝的凸點制作成本要比蒸發(fā)低一些，而且在電路上使用易 熔焊料還可省去再將其放置到電路板上的

10、那步工藝及其費 用。目前生產(chǎn)的其它焊料合金包括無鉛焊料、高鉛焊料和 低 焊料等。對電鍍凸點工藝而言， UBM材料要濺射在整個晶片的表 面上，然后淀積光刻膠，并用光刻的方法在 IC 鍵合點上形 成開口。然后將焊接材料電鍍到晶片上并包含在光刻膠的 開口中。其后將光刻膠剝離，并對曝光的 UBM材料進(jìn)行刻 蝕，對晶片進(jìn)行再流，形成最終的凸點。另一種常用的方 法是將焊料模版印刷到帶圖形的 UBM（濺射或電鍍 ） 上，然后 再流。 操縱凸點的最終高度具有十分重要的作用。它能夠保證較 高的組裝成品率。用于監(jiān)測凸點制作工藝的破壞性凸點切 斷測試方法常常會使焊膏中產(chǎn)生失效模式，但絕可不能對 UBM或下面的 IC

11、 焊點造成如此的結(jié)果。晶片切割常常被看作是后端組裝中的第一步。磨蝕金 剛石刀片以 60,000rpm 的轉(zhuǎn)速進(jìn)行切片。切割中要使用去離子水以提升切割的質(zhì)量并延長刀片的壽命。目前，降低 單個 IC 上的屑片缺陷是一項十分緊迫的任務(wù)。因為頂部的 屑片有可能接近芯片的有源區(qū)，背面的屑片對倒裝芯片的 可靠性極其不利。邊緣的斷裂，甚至是芯片區(qū)內(nèi)的背面芯 片在熱應(yīng)力和機械應(yīng)力的作用下常會擴(kuò)展，導(dǎo)致器件的早 期失效。5 焊劑拾裝再流完成晶片切割后，可將切分好的單個芯片留在晶片上， 也可將其放置到華夫餅包裝容器、凝膠容器、 Surftape 或 帶與軸封裝中。倒裝芯片布局設(shè)備必須具有處理帶凸點的 芯片的能力。

12、華夫餅容器適應(yīng)于小批量需求，或用于免測 芯片；帶與軸適用于 SMT貼裝設(shè)備；送至貼裝設(shè)備的晶片 較為普遍，且最適合大批量制造應(yīng)用。實際的倒裝芯片組裝工藝由分配焊劑開始。分配焊劑 的方法有多種，包括浸液、擠涂分配、模版印刷、或噴涂 等。每一種方法都有其優(yōu)點和應(yīng)用范疇。貼裝設(shè)備上通常 要裝有焊劑或粘接膠浸潤組件。這種方法具備將焊劑固定 到芯片凸點上的優(yōu)點。操縱焊劑膜的高度和盤的旋轉(zhuǎn)速度對批量生產(chǎn)的可重 復(fù)性十分必要。焊劑分配工藝必須精確操縱焊劑的分配量與可重復(fù)性。模版印刷焊劑適用于大批量制造，但對逆流設(shè)備的要求較高。不管采納哪一種方法，在粘貼倒裝芯片 器件時都必須考慮材料的特性和所用焊劑的兼容性。

13、完成焊劑分配工藝后就能夠采納多頭高速元件拾裝系 統(tǒng)或超高精度拾裝系統(tǒng)拾取芯片了。為了促進(jìn)半導(dǎo)體后端 制造與 EMS組裝市場的結(jié)合，目前的拾裝設(shè)備，如西門子 SiPlaceHF 新型設(shè)備都具有較高的速度與精度。 倒裝芯片與 電路板對準(zhǔn)由高精度攝像機完成。拾裝工藝的關(guān)鍵參數(shù)包括元件的適當(dāng)拾取、定位精度 與可靠性、貼裝的力度大小、停留時刻和成品率等。倒裝 芯片拾裝精度通常要求在凸點節(jié)距的 10左右，以最大限 度地減小平移偏移和旋轉(zhuǎn)偏移。許多公司已在不同板條件 下對各種工藝參數(shù)進(jìn)行了廣泛的研究和探討，包括芯片尺 寸、凸點節(jié)距、凸點高度和每個芯片上的凸點數(shù)量等。拾裝設(shè)備上所用的噴嘴類型是按照芯片尺寸與或

14、凸 點引腳 （ 全陣列與環(huán)形陣列 ） 等因素而決定的。將分好的晶 片中的芯片拾取，面朝下放好，貼到電路板上。如果噴嘴 的硬度和一致性都正常的話就可不能對凸點和芯片造成損 壞。將芯片翻動，拾取，對準(zhǔn)并貼裝。為了幸免已裝置好的芯片在再流工藝前發(fā)生移動，操 作時應(yīng)倍加小心。因此，再流工藝通常在直排的多級連續(xù) 爐中采納對流、紅外加熱、或傳導(dǎo)加熱 （ 強熱對流 ） 進(jìn)行。 在任何一種情形下都必須嚴(yán)格操縱爐內(nèi)氣氛和溫度分布， 以確?？煽康脑倭骱更c。要緊的阻礙參數(shù)包括液化、峰值 溫度、斜坡速率、吸取時刻、吸取溫度、冷卻速率與對流 速率等。精確的分布 （ 即，在芯片下放置熱電偶 ） 具有十分 重要的作用，因為

15、如此能夠防止基板退化、焊膏不足和焊 膏起球等現(xiàn)象。此外，焊劑的一致性、焊劑的活化以及平 均的熱傳遞差不多上十分關(guān)鍵的參數(shù)。6 底部填充焊膏再流工藝之后要使用底部填料以實現(xiàn)芯片與電路 板的耦合，從而極大地提升互連的完整性與可靠性。最常 用的技術(shù)確實是在焊膏再流之后分配底部填料。但有一些 應(yīng)用也采納芯片粘貼之前分配不流淌的底部填料或在電路 板上印刷，并在焊膏再流期間進(jìn)行固化。要想順利地完成底部填料工藝就必須考慮一些重要的 參數(shù)，如底部填充材料的特性與兼容性 （ 適當(dāng)?shù)?Tg、CTE和 模件等 ） 、分配量、分配形式、板的溫度與底部填充流淌的 機理等。利用毛細(xì)作用的傳統(tǒng)的底部填充流淌要緊取決于 芯片的尺寸和外形、凸點的式樣、間隔大小、填充材料的黏度、芯片與板的表面張力、以及填充材料的潤濕角等。針的尺寸、離芯片邊緣的分配距離、針距板的高度和 分配的速度也是必須了解并加以操縱的重要參數(shù)。此外， 在填充工藝期間操縱板的溫度能夠提升毛細(xì)管的流淌，同 時還可幸免先期凝膠。要確保高可靠的倒裝芯片組裝就必須充分了解材料的 流淌特性，幸免氣孔或分層 （ 采