倒裝芯片工藝挑戰(zhàn)SMT組裝

原作者：不詳

　　1 引言

　　20世紀(jì)90年代以來，移動(dòng)電話、個(gè)人數(shù)字助手(PDA)、數(shù)碼相機(jī)等消費(fèi)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(jī)遇。材料、設(shè)備性能與工藝控制能力的改進(jìn)使越來越多的EMS公司可以跳過標(biāo)準(zhǔn)的表面安裝技術(shù)(SMT)直接進(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(jì)需要不斷減小體積，提高工作速度，增加功能，因此可以預(yù)計(jì)，倒裝芯片技術(shù)的應(yīng)用范圍將不斷擴(kuò)大，最終會(huì)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EMS公司一直在攜手合作，在發(fā)揮各自特長的同時(shí)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(shí)雙方都會(huì)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，隨著采用先進(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，以往似乎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)為采用倒裝芯片的時(shí)間合適與否，理解倒裝芯片技術(shù)所存在的諸多挑戰(zhàn)都是十分重要的。

　　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，無論它是有機(jī)材料、陶瓷材料還是柔性材料，都決定著組裝材料(凸點(diǎn)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。在目前的情況下，每個(gè)公司都必須決定采用哪一種技術(shù)，選購哪一類工藝部件，為滿足未來產(chǎn)品的需要進(jìn)行哪一些研究與開發(fā)，同時(shí)還需要考慮如何將資本投資和運(yùn)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。目前廣泛采用的倒裝芯片方法主要是根據(jù)互連結(jié)構(gòu)而確定的。如，柔順凸點(diǎn)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)要采用鍍金的導(dǎo)電聚合物或聚合物／彈性體凸點(diǎn)。

　　焊柱凸點(diǎn)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)要采用焊球鍵合(主要采用金線)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(diǎn)造成影響。在這種情況下就需要使用各向異性導(dǎo)電膜。焊膏凸點(diǎn)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)主要包括：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)都有利也有弊，通常都受應(yīng)用而驅(qū)動(dòng)。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(xiàng)。通常，成功始于設(shè)計(jì)。

　　首要的設(shè)計(jì)考慮包括焊料凸點(diǎn)和下凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)，其目的是將互連和IC鍵合點(diǎn)上的應(yīng)力降至最低。如果互連設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)脑?，已知的可靠性模型可預(yù)測出焊膏上將要出現(xiàn)的問題。對IC鍵合點(diǎn)結(jié)構(gòu)、鈍化、聚酰亞胺開口以及下凸點(diǎn)治金(UBM)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)即可實(shí)現(xiàn)這一目的。鈍化開口的設(shè)計(jì)必須達(dá)到下列目的：降低電流密度；減小集中應(yīng)力的面積；提高電遷移的壽命；最大限度地增大UBM和焊料凸點(diǎn)的斷面面積。

　　凸點(diǎn)位置布局是另一項(xiàng)設(shè)計(jì)考慮，焊料凸點(diǎn)的位置盡可能的對稱，識(shí)別定向特征(去掉一個(gè)邊角凸點(diǎn))是個(gè)例外。布局設(shè)計(jì)還必須考慮順流切片操作不會(huì)受到任何干擾。在IC的有源區(qū)上布置焊料凸點(diǎn)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(jì)考慮，但晶片凸點(diǎn)制作公司擁有專門的IC焊點(diǎn)與布局設(shè)計(jì)準(zhǔn)則來保證凸點(diǎn)的可靠性，從而可確?；ミB的可靠性。

　　主要的板設(shè)計(jì)考慮包括金屬焊點(diǎn)的尺寸與相關(guān)的焊料掩模開口。首先，必須最大限度地增加板焊點(diǎn)位置的潤濕面積以形成較強(qiáng)的結(jié)合點(diǎn)。但必須注意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，并可避免互連一端的應(yīng)力高于另一端，即應(yīng)力不均衡問題。實(shí)際上，設(shè)計(jì)時(shí)，通常會(huì)采用使板的焊點(diǎn)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(jì)可以控制板焊點(diǎn)位置上的潤濕面積。

　　既可采用焊膏掩模設(shè)計(jì)也可采用無焊膏掩模設(shè)計(jì)，但將這兩種方法結(jié)合起來的設(shè)計(jì)是最可靠的設(shè)計(jì)手段。在相關(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(jì)出恰當(dāng)?shù)陌搴更c(diǎn)位置。如果設(shè)計(jì)不合理，一旦組裝環(huán)境發(fā)生變化或機(jī)械因數(shù)有所改變，IC就會(huì)出現(xiàn)焊膏疲勞斷裂。采用底部填料的方法的確能夠極大地提高倒裝芯片元件互連的可靠性，但如果不嚴(yán)格遵循設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的話還是不可避免地會(huì)產(chǎn)生同樣的失效機(jī)理。

　　4 晶片的凸點(diǎn)制作／切片

　　焊料凸點(diǎn)的作用是充當(dāng)IC與電路板之間的機(jī)械互連、電互連、有時(shí)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(diǎn)本身構(gòu)成。UBM搭接在晶片鈍化層上，以保護(hù)電路不受外部環(huán)境的影響。實(shí)際上，UBM充當(dāng)著凸點(diǎn)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(shí)還為焊膏提供氧化勢壘潤濕表面。UBM疊層對降低IC焊點(diǎn)下方的應(yīng)力具有十分重要的作用。

　　如前所述，焊料凸點(diǎn)制作技術(shù)的種類很多。采用蒸發(fā)的方法需要在晶片表面上濺射勢壘金屬(采用掩模或用光刻作為輔助手段)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(diǎn)。這一技術(shù)非常適用于采用耐高溫陶瓷基板的含鉛量較高的凸點(diǎn)(相對易熔焊料凸點(diǎn)而言)。但對有機(jī)電路板上的SMT應(yīng)用而言，IC上的高鉛焊料凸點(diǎn)還需要采用易熔焊料來形成互連。

　　低成本的凸點(diǎn)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)都是目前常用的制作工藝。這些工藝的凸點(diǎn)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那步工藝及其費(fèi)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α焊料等。

　　對電鍍凸點(diǎn)工藝而言，UBM材料要濺射在整個(gè)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(diǎn)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(diǎn)。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。
控制凸點(diǎn)的最終高度具有十分重要的作用。它可以保證較高的組裝成品率。用于監(jiān)測凸點(diǎn)制作工藝的破壞性凸點(diǎn)切斷測試方法常常會(huì)使焊膏中產(chǎn)生失效模式，但絕不會(huì)對UBM或下面的IC焊點(diǎn)造成這樣的結(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高切割的質(zhì)量并延長刀片的壽命。目前，降低單個(gè)IC上的屑片缺陷是一項(xiàng)十分緊迫的任務(wù)。因?yàn)轫敳康男计锌赡芙咏酒挠性磪^(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(jī)械應(yīng)力的作用下常會(huì)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(gè)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(diǎn)的芯片的能力。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(shí)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(diǎn)和應(yīng)用范圍。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(diǎn)上的優(yōu)點(diǎn)。

　　控制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控制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。不管采用哪一種方法，在粘貼倒裝芯片器件時(shí)都必須考慮材料的特性和所用焊劑的兼容性。

　　完成焊劑分配工藝后就可以采用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(jī)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(shí)間和成品率等。倒裝芯片拾裝精度通常要求在凸點(diǎn)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(diǎn)節(jié)距、凸點(diǎn)高度和每個(gè)芯片上的凸點(diǎn)數(shù)量等。

　　拾裝設(shè)備上所用的噴嘴類型是根據(jù)芯片尺寸與／或凸點(diǎn)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不會(huì)對凸點(diǎn)和芯片造成損壞。將芯片翻動(dòng)，拾取，對準(zhǔn)并貼裝。

　　為了避免已裝置好的芯片在再流工藝前發(fā)生移動(dòng)，操作時(shí)應(yīng)倍加小心。因此，再流工藝通常在直排的多級連續(xù)爐中采用對流、紅外加熱、或傳導(dǎo)加熱(強(qiáng)熱對流)進(jìn)行。在任何一種情況下都必須嚴(yán)格控制爐內(nèi)氣氛和溫度分布，以確?？煽康脑倭骱更c(diǎn)。主要的影響參數(shù)包括液化、峰值溫度、斜坡速率、吸收時(shí)間、吸收溫度、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?yàn)檫@樣可以防止基板退化、焊膏不足和焊膏起球等現(xiàn)象。此外，焊劑的一致性、焊劑的活化以及均勻的熱傳遞都是十分關(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(shí)現(xiàn)芯片與電路板的耦合，從而極大地提高互連的完整性與可靠性。最常用的技術(shù)就是在焊膏再流之后分配底部填料。但有一些應(yīng)用也采用芯片粘貼之前分配不流動(dòng)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)豑g、CTE和模件等)、分配量、分配形式、板的溫度與底部填充流動(dòng)的機(jī)理等。利用毛細(xì)作用的傳統(tǒng)的底部填充流動(dòng)主要取決于芯片的尺寸和外形、凸點(diǎn)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控制的重要參數(shù)。此外，在填充工藝期間控制板的溫度可以提高毛細(xì)管的流動(dòng)，同時(shí)還可避免先期凝膠。

　　要確保高可靠的倒裝芯片組裝就必須充分了解材料的流動(dòng)特性，避免氣孔或分層(采用C模式掃描聲學(xué)顯微鏡可以看出)。濕氣與／或溫度循環(huán)會(huì)引起填充材料與芯片或基板的分層，而一旦產(chǎn)生分層就有可能造成高應(yīng)力集中，并導(dǎo)致焊點(diǎn)的預(yù)先失效。

　　底部填充材料的固化工藝可在連續(xù)直排爐或間歇爐中完成?？刂茰囟鹊囊恢滦?、固化時(shí)間、以及爐內(nèi)的氣氛條件，充分實(shí)現(xiàn)底部填料所具有的優(yōu)點(diǎn)是十分重要的。

　　倒裝芯片的成功實(shí)現(xiàn)與使用包含諸多設(shè)計(jì)、工藝、設(shè)備與材料因素。只有對每一個(gè)因素都加以認(rèn)真考慮和對待才能夠促進(jìn)工藝和技術(shù)的不斷完善和進(jìn)步，才能滿足應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Φ寡b芯片技術(shù)產(chǎn)品不斷增長的需要。