FC倒裝芯片裝配技術(shù)介紹

1、FC倒裝芯片裝配技術(shù)介紹  器件的小型化高密度封裝形式越來越多，如多模塊封裝（MCM）、系統(tǒng)封裝（SiP）、倒裝芯 片（FC，F(xiàn)lip-Chip）等應(yīng)用得越來越多。這些 技術(shù)的出現(xiàn)更加模糊了一級封裝與二級裝配之間的界線。毋庸置疑，隨著小型化高密度封裝的出現(xiàn)，對高速與高精度裝 配的要求變得更加關(guān)鍵，相關(guān)的組裝設(shè)備和工藝也更具先進性與高靈活性。     由于倒裝芯片比BGA或CSP具有更小的外形尺寸、更小的球徑和球間距、它對植球工藝、基板技術(shù)、材料的兼容性、制造工藝，以及檢查設(shè)備和方法提出了前所未有的挑戰(zhàn)。 倒裝芯片的發(fā)展歷史 倒裝芯片的定義 什么器件被稱為倒裝芯片？

2、一般來說，這類器件具備 以下特點： 1. 基材是硅； 2. 電氣面及焊凸在器件下表面； 3. 球間距一般為4-14mil、球徑為2.5-8mil、外形尺寸為1-27mm； 4. 組裝在基板上后需要做底部填充。 其實，倒裝芯片之所以被稱為“倒裝”，是相對于傳 統(tǒng)的金屬線鍵合連接方式（Wire Bonding）與植球后的工藝 而言的。傳統(tǒng)的通過金屬線鍵合與基板連接的芯片電氣面朝 上（圖1），而倒裝芯片的電氣面朝下（圖2），相當(dāng)于將 前者翻轉(zhuǎn)過來，故稱其為“倒裝芯片”。在圓片（Wafer） 上芯片植完球后（圖3），需要將其翻轉(zhuǎn)，送入貼片機，便于貼裝，也由于這一翻轉(zhuǎn)過程，而被稱為“倒裝芯片”。 倒裝芯

3、片的歷史及其應(yīng)用     倒裝芯片在1964年開始出現(xiàn)，1969年由IBM發(fā)明了倒 裝芯片的C4工藝（Controlled Collapse Chip Connection， 可控坍塌芯片聯(lián)接）。過去只是比較少量的特殊應(yīng)用，近 幾年倒裝芯片已經(jīng)成為高性能封裝的互連方法，它的應(yīng)用 得到比較廣泛快速的發(fā)展。目前倒裝芯片主要應(yīng)用在Wi- Fi、SiP、MCM、圖像傳感器、微處理器、硬盤驅(qū)動器、醫(yī)用傳感器，以及RFID等方面（圖5）。 與此同時，它已經(jīng)成 為小型I/O應(yīng)用有效的互連解決方案。隨著微型化及人們已 接受SiP，倒裝芯片被視為各種針腳數(shù)量低的應(yīng)用的首選方 法。從整體上看，

4、其在低端應(yīng)用和高端應(yīng)用中的采用，根 據(jù)TechSearch International Inc對市場容量的預(yù)計，焊球凸點倒裝芯片的年復(fù)合增長率（CAGR）將達到31%。 倒裝芯片應(yīng)用的直接驅(qū)動力來自于其優(yōu)良的電氣性能，以及市場對終端產(chǎn)品尺寸和成本的要求。在功率及電 信號的分配，降低信號噪音方面表現(xiàn)出色，同時又能滿足高密度封裝或裝配的要求。可以預(yù)見，其應(yīng)用會越來越廣泛。 倒裝芯片的組裝工藝流程     一般的混合組裝工藝流程 在半導(dǎo)體后端組裝工廠中，現(xiàn)在有兩種模塊組裝方法。在兩次回流焊工藝中，先在單獨的SMT生產(chǎn)線上組裝SMT器件，該生產(chǎn)線由絲網(wǎng)印刷機、貼片機和第一個回 流焊

5、爐組成。然后再通過第二條生產(chǎn)線處理部分組裝的模塊，該生產(chǎn)線由倒裝芯片貼片機和回流焊爐組成。底部填 充工藝在專用底部填充生產(chǎn)線中完成，或與倒裝芯片生產(chǎn)線結(jié)合完成。 倒裝芯片的裝配工藝流程介紹     相對于其它的IC器件，如BGA、CSP等，倒裝芯片 裝配工藝有其特殊性，該工藝引入了助焊劑工藝和底部填充工藝。因為助焊劑殘留物（對可靠性的影響）及橋連的 危險，將倒裝芯片貼裝于錫膏上不是一種可采用的裝配方法。業(yè)內(nèi)推出了無需清潔的助焊劑，芯片浸蘸助焊劑工藝成為廣泛使用的助焊技術(shù)。目前主要的替代方法是使用免洗助焊劑，將器件浸蘸在助焊劑薄膜里讓器件焊球蘸取一 定量的助焊劑，再將器件貼裝

6、在基板上，然后回流焊接；或者將助焊劑預(yù)先施加在基板上，再貼裝器件與回流焊 接。助焊劑在回流之前起到固定器件的作用，回流過程中起到潤濕焊接表面增強可焊性的作用。 倒裝芯片焊接完成后，需要在器件底部和基板之間填充一種膠（一般為環(huán)氧樹酯材料）。底部填充分為于“毛細流動原理”的流動性和非流動性（No-follow）底部填充。 上述倒裝芯片組裝工藝是針對C4器件（器件焊凸材料為SnPb、SnAg、SnCu或SnAgCu）而言。另外一種工藝是 利用各向異性導(dǎo)電膠（ACF）來裝配倒裝芯片。預(yù)先在基板上施加異性導(dǎo)電膠，貼片頭用較高壓力將器件貼裝在基板 上，同時對器件加熱，使導(dǎo)電膠固化。該工藝要求貼片機具有非常

7、高的精度，同時貼片頭具有大壓力及加熱功能。 對于非C4器件（其焊凸材料為Au或其它）的裝配，趨向采用此工藝。這里，我們主要討論C4工藝，下表列出的是倒裝芯片植球（Bumping）和在基板上連接的幾種方式。 倒裝倒裝芯片幾何尺寸可以用一個“小”字來形容：焊球直徑?。ㄐ〉?.05mm），焊球間距?。ㄐ〉?.1mm），外形尺寸?。?mm2）。要獲得滿意的裝配良率，給貼裝設(shè)備及其工藝帶來了挑戰(zhàn)，隨著焊球直徑的縮小，貼裝精度要求越來越高 目前12m甚至10m的精度越來越常見。貼片設(shè)備照像機圖形處理能力也十分關(guān)鍵，小的球徑小的球間距需要更高像素的像機來處理。 隨著時間推移，高性能芯片的尺寸不斷增大，焊凸（

8、Solder Bump）數(shù)量不斷提高，基板變得越來越薄，為了提高產(chǎn)品可靠性底部填充成為必須。 對貼裝壓力控制的要求 考慮到倒裝芯片基材是比較脆的硅，若在取料、助焊劑浸蘸過程中施以較大的壓力容易將其壓裂，同時細小的焊凸在此過程中也容易壓變形，所以盡量使用比較低的貼裝壓力，一般要求在150g左右。對于超薄形芯片，如0.3mm，有時甚至要求貼裝壓力控制在35g。 對貼裝精度及穩(wěn)定性的要求 對于球間距小到0.1mm的器件，需要怎樣的貼裝精度 才能達到較高的良率？基板的翹曲變形，阻焊膜窗口的尺寸和位置偏差，以及機器的精度等，都會影響到最終的貼 裝精度。關(guān)于基板設(shè)計和制造的情況對于貼裝的影響，我們在此不作

9、討論，這芯片裝配工藝對貼裝設(shè)備的要求里我們只是來討論機器的貼裝精度。為了回答上面的問題，我們來建立一個簡單的假設(shè)模型： 1.假設(shè)倒裝芯片的焊凸為球形，基板上對應(yīng)的焊盤為圓形，且具有相同的直徑； 2.假設(shè)無基板翹曲變形及制造缺陷方面的影響； 3.不考慮Theta和沖擊的影響； 4.在回流焊接過程中，器件具有自對中性，焊球與潤濕面50%的接觸在焊接過程中可以被“拉正”。 那么，基于以上的假設(shè)，直徑25m的焊球如果其對應(yīng)的圓形焊盤的直徑為50m時，左右位置偏差（X軸）或 前后位置偏差（Y軸）在焊盤尺寸的50%，焊球都始終在焊盤上（圖9）。對于焊球直徑為25m的倒裝芯片，工藝能力Cpk要達到1.33的

10、話，要求機器的最小精度必須達到12m3sigma.對照像機和影像處理技術(shù)的要求 要處理細小焊球間距的倒裝芯片的影像，需要百萬像素的數(shù)碼像機。較高像素的數(shù)碼像機有較高的放大倍率， 但是，像素越高視像區(qū)域（FOV）越小，這意味著大的器件可能需要多次“拍照”。照像機的光源一般為發(fā)光二極 管，分為側(cè)光源、前光源和軸向光源，并可以單獨控制。倒裝芯片的的成像光源采用側(cè)光、前光，或兩者結(jié)合。 那么，對于給定器件如何選擇像機呢？這主要依賴圖 像的算法。譬如，區(qū)分一個焊球需要N個像素，則區(qū)分球間 距需要2N個像素。以環(huán)球儀器的貼片機上Magellan數(shù)碼像機為例，其區(qū)分一個焊球需要4個像素，我們用來看不同的 焊

11、球間隙所要求的最大的像素應(yīng)該是多大，這便于我們根 據(jù)不同的器件來選擇相機，假設(shè)所有的影像是實際物體尺寸的75%。 倒裝芯片基準(zhǔn)點（Fiducial）的影像處理與普通基準(zhǔn) 點相似。倒裝芯片的貼裝往往除整板基準(zhǔn)點外（Global fiducial）會使用局部基準(zhǔn)點（Local fiducial），此時的基 準(zhǔn)點會較小（0.151.0mm），像機的選擇參照上面的方 法。對于光源的選擇需要斟酌，一般貼片頭上的相機光源 都是紅光，在處理柔性電路板上的基準(zhǔn)點時效果很差，甚至找不到基準(zhǔn)點，其原因是基準(zhǔn)點表面（銅）的顏色和基 板顏色非常接近，色差不明顯。如果使用環(huán)球儀器的藍色光源專利技術(shù)就很好的解決了此問題。

12、 吸嘴的選擇 由于倒裝芯片基材是硅，上表面非常平整光滑，最好選擇頭部是硬質(zhì)塑料材料具多孔的ESD吸嘴。如果選擇頭部 為橡膠的吸嘴，隨著橡膠的老化，在貼片過程中可能會粘連器件，造成貼片偏移或帶走器件。 對助焊劑應(yīng)用單元的要求 助焊劑應(yīng)用單元是控制助焊劑浸蘸工藝的重要部分， 其工作的基本原理就是要獲得設(shè)定厚度的穩(wěn)定的助焊劑薄 膜，以便于器件各焊球蘸取的助焊劑的量一致。 要精確穩(wěn)定的控制助焊劑薄膜的厚度，同時滿足高速浸蘸的要求，該助焊劑應(yīng)用單元必須滿足以下要求： 1. 可以滿足多枚器件同時浸蘸助焊劑（如同時浸蘸4或7枚）提高產(chǎn)量； 2. 助焊劑用單元應(yīng)該簡單、易操作、易控制、易清潔； 3. 可以處理

13、很廣泛的助焊劑或錫膏，適合浸蘸工藝的 助焊劑粘度范圍較寬，對于較稀和較粘的助焊劑都 要能處理，而且獲得的膜厚要均勻； 4. 蘸取工藝可以精確控制，浸蘸的工藝參數(shù)因材料的不同而會有差異，所以浸蘸過程工藝參數(shù)必須可以單獨控制，如往下的加速度、壓力、停留時間、向上的加速度等。 對供料器的要求 要滿足批量高速高良率的生產(chǎn)，供料技術(shù)也相當(dāng)關(guān)鍵。倒裝芯片的包裝方式主要有這么幾種：2×2或4×4英 JEDEC盤、200mm或300mm圓片盤（Wafer）、還有 卷帶料盤（Reel）。對應(yīng)的供料器有：固定式料盤供料器 (Stationary tray feeder)，自動堆疊式送料器（Au

14、tomated stackable feeder），圓片供料器（Wafer feeder），以及帶式供料器。 所有這些供料技術(shù)必須具有精確高速供料的能力，對于圓片供料器還要求其能處理多種器件包裝方式，譬如： 器件包裝可以是JEDEC盤、或裸片，甚至完成芯片在機器內(nèi)完成翻轉(zhuǎn)動作。 我們來舉例說明幾種供料器. Unovis的裸晶供料器（DDF Direct Die Feeder）特點： 可用于混合電路或感應(yīng)器、 多芯片模組、系統(tǒng)封裝、RFID和3D裝配 圓片盤可以豎著進料、節(jié)省空間，一臺機器可以安裝多臺DDF 芯片可以在DDF內(nèi)完成翻轉(zhuǎn) 可以安裝在多種貼片平臺上，如：環(huán)球儀器、西門子 、安必昂、富

15、士 對板支撐及定位系統(tǒng)的要求 有些倒裝芯片是應(yīng)用在柔性電路板或薄型電路板上，這時候?qū)宓钠秸畏浅ｊP(guān)鍵。解決方案往往會用到 載板和真空吸附系統(tǒng)，以形成一個平整的支撐及精確的定位系統(tǒng)，滿足以下要求： 1.基板Z方向的精確支撐控制，支撐高度編程調(diào)節(jié)； 2.提供客戶化的板支撐界面； 3.完整的真空發(fā)生器； 4.可應(yīng)用非標(biāo)準(zhǔn)及標(biāo)準(zhǔn)載板。  回流焊接及填料固化后的檢查 對完成底部填充以后產(chǎn)品的檢查有非破壞性檢查和破壞性檢查，非破壞性的檢查有 利用光學(xué)顯微鏡進行外觀檢查，譬如檢查填料在器件側(cè)面爬升的情況，是否形成良好的邊緣圓角，器件表面是否有臟污等 利用X射線檢查儀檢查焊點是否短路，開路，偏

16、移，潤濕情況，焊點內(nèi)空洞等 電氣測試（導(dǎo)通測試），可以測試電氣聯(lián)結(jié)是否有 問題。對于一些采用菊花鏈設(shè)計的測試板，通過通斷測試還可以確定焊點失效的位置 利用超聲波掃描顯微鏡（C-SAM）檢查底部填充后 其中是否有空洞、分層，流動是否完整破壞性的檢查可以對焊點或底部填料進行切片，結(jié)合光學(xué)顯微鏡，金相顯微鏡或電子掃描顯微鏡和能譜分析儀 （SEM/EDX），檢查焊點的微觀結(jié)構(gòu)，例如，微裂紋/微 孔，錫結(jié)晶，金屬間化合物，焊接及潤濕情況，底部填充 是否有空洞、裂紋、分層、流動是否完整等。完成回流焊接及底部填充工藝后的產(chǎn)品常見缺陷有： 焊點橋連/開路、焊點潤濕不良、焊點空洞/氣泡、焊點開 裂/脆裂、底部填

17、料和芯片分層和芯片破裂等。對于底部填充是否完整，填料內(nèi)是否出現(xiàn)空洞，裂紋和分層現(xiàn)象，需 要超聲波掃描顯微鏡（C-SAM）或通過與芯片底面平行的 切片（Flat section）結(jié)合顯微鏡才能觀察到，這給檢查此 類缺陷增加了難度。底部填充材料和芯片之間的分層往往發(fā)生在應(yīng)力最大 器件的四個角落處或填料與焊點的界面，如左圖13 所示?？偨Y(jié) 倒裝芯片在產(chǎn)品成本，性能及滿足高密度封裝等方面 體現(xiàn)出優(yōu)勢，它的應(yīng)用也漸漸成為主流。由于倒裝芯片的 尺寸小，要保證高精度高產(chǎn)量高重復(fù)性，這給我們傳統(tǒng)的 設(shè)備及工藝帶來了挑戰(zhàn)，具體表現(xiàn)在以下幾個方面：1. 基板（硬板或軟板）的設(shè)計方面； 2組裝及檢查設(shè)備方面； 3制造工藝,芯片的植球工藝，PCB的制造工藝，SMT工藝； 4材料的兼容性。