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倒裝芯片工藝向SMT組裝挑戰
作者:Craig Beddingfield, Siemens Dematic Electronics Assembly Systems Inc.  

因為倒裝芯片技術的使用不斷增加，了解它在SMT組裝中面臨的諸多挑戰變得至關重要。

半導體封裝和電子制造服務公司正趨向聚合，他們各自在能力和投資方面向對方*攏。在工業需求不斷增長的環境下, 較多的公司正在提供"完全解決方案"，因此這個聚合是意料之中的，但是這對雙方都是挑戰。
　　舉例來說，倒裝芯片、bga、或SIP等使用先進封裝技術的產品，從印制板組裝發展到器件組裝，那些以前看來不很重要的因素可能變得重要：互連應力不同了；材料的不兼容性增加了；工藝流程改變了。無論你是否需要為自己的新產品設計或采用倒裝芯片技術，或者目前僅僅需要了解是否把倒裝芯片作為你的投資目標,了解倒裝芯片技術所帶來的許多挑戰都是非常重要的。

倒裝芯片技術
　　倒裝芯片技術分多種工藝方法，每一種都有許多變化和不同應用。舉例來說,根據產品技術所要求的印制板或基板的類型 － 有機的、陶瓷的或柔性的－ 決定了組裝材料的選擇(如凸點類型、焊料、底部填充材料)，并在一定程度上決定了所須的工藝設備。公司必須決定采用哪一種技術,決定哪些工藝要*外協,并決定需要哪些研究和發展資源，以便滿足將來的產品要求，同時將投資和運作成本減到最少。
　　在SMT環境下最通常的和最適宜實現的方法是焊料倒裝芯片組裝工藝，我們將更詳細地予以描述。此技術有許多變種，必須全面考慮，以確保滿足可制造性、可*性和成本目標。今天廣泛的使用的倒裝芯片技術主要由互連結構來定義。舉例來說，柔順性凸點(compliant-bump)工藝是指用導電的聚合體凸點或鍍金的聚合體/人造橡膠凸點來實現的工藝。短柱凸點(Stub-bump)技術使用球鍵合(主要用金絲)或電鍍，然后用各向同性導電的黏接劑來組裝。使用各向異性的導電薄膜或糊膏時，集成電路的鍵合焊盤無需或只需微小改變。焊料凸點的生成技術包括蒸發、電鍍、化學鍍層、模板印刷、噴涂等等。
　　選定的互連技術決定了必需的工藝 － 究竟是回流焊、熱超聲、熱壓、還是瞬態液相的鍵合工藝。每一種工藝都有它的優點和缺點, 通常是隨應用來決定。然而，從整合到標準的SMT工藝的難易程度看,焊料倒裝芯片組裝工藝是最通用的，并且它被證明和SMT完全兼容。

　　焊料倒裝芯片組裝
傳統的焊料倒裝芯片組裝工藝流程(圖 1)的主要步驟包括: 施加焊劑，放置芯片，焊料回流焊和底部填充處理。然而，為確保倒裝芯片組裝的成功和可*，還必須了解和實施其他的指南和要求，成功通常從設計開始。

圖1.  典型的倒裝芯片組裝工藝流。


　　設計需要考慮的首先是焊料凸點和凸點下面的結構。其目標是將互連件和集成電路鍵合盤之間傳送的應力減到最少。如果互連件設計得正確，正如可*性模型所預測的那樣,失效將只會在焊料中發生。這可以由適當地設計集成電路鍵合焊盤結構來達成，包括它的鈍化/聚酰亞胺開口和凸點下金相化(UBM) 結構。鈍化開囗設計應該能降低電流密度、減小應力集中、改善電子遷移的壽命、以及使UBM 和焊料凸點的橫截面最大化。
　　凸點位置的布局是另一個設計考慮。 焊料凸點位置應該盡可能對稱,除非有很清楚的定位特征(例如在一個角落上不放凸點)。布局也必須考慮下游工序的晶圓切片工藝，以確保不會發生沖突。在集成電路上有電源區的焊料凸點的放置也將受集成電路的電敏感性和性能指標所規定。當然，還有其它集成電路設計需要考慮的因素，制作晶圓凸點的公司都有特定的集成電路焊盤和布局設計的指南。必須考慮這些設計指南，才能確保生成可*的凸點，從而形成可*的互連。
　　主要考慮的印制板設計因素包括金屬焊盤的大小和相應的阻焊膜開囗。很重要的一點是，要使印制板焊盤位置的濕潤面積達到最大，以便形成強固的聯接。然而,也必須考慮到使印制板的浸潤面積的大小與UBM的直徑相匹配,這有助於形成對稱的互連，避免互連的一端比另一端有過高的應力狀況。事實上,把印制板焊盤直徑設計得比 UBM 直徑略小一些將會增加印制板側的應力，而減弱比較弱的集成電路一側的應力。
　　印制板焊盤位置上的浸潤面積的控制是*適當地設計阻焊膜的開囗來實現的，如圖2所示。阻焊膜限定的和非阻焊膜限定的兩種設計方法都可采用, 但是兩者的組合可能是最可*的。使用在相應的印制板印制線上的矩形開囗，并考慮阻焊膜限定下的位置容差，可以得到適當的印制板焊盤位置設計。如果沒有正確的設計，當裝配好的印制板暴露于環境或機械因素的變動中時，在集成電路側將會發生常見的焊料疲勞破裂。底部填充材料確實可以大大增加倒裝芯片元件間互連的可*性,但是如果不遵守正確的設計指南, 最后將會發生同樣的失效模式。

圖2.  倒裝芯片組裝中各種不同的阻焊膜開口設計。

晶圓凸點的生成和晶圓切片
　　焊料凸點是集成電路和印制板之間機械的、電的、有時還是熱的互連件。在一個典型的倒裝芯片器件中,互連件包含了UBM和焊料凸點本身，如圖3所示。為了在暴露的環境中保護在下面的電路,UBM疊加在晶圓鈍化區上，成為凸點的基礎。 它對晶圓金屬和鈍化材料有著很好的粘著性，在焊料和集成電路鍵合焊盤金屬之間起著焊料擴散層的作用，同時給焊料提供氧化阻擋層和可浸潤的表面。UBM金屬的適當疊加對于減小其下的集成電路焊盤上的應力非常重要。


圖3.  倒裝的芯片焊料凸點和UBM 的剖面圖。

　　如前所述,有幾種焊料凸點的工藝可以考慮。蒸發是先把阻擋層金屬濺射到晶圓表面，再經過掩膜或照相制版來形成UBM，接著用蒸發Sn和Pb來形成焊料，然后經回流焊形成球形凸點。這種技術特別適用于能抗高溫的陶瓷基板上的高鉛凸點(相對于共晶的焊料凸點而言)。然而，在應用SMT于有機印制板時，集成電路上高鉛的焊料凸點需要在印制板上使用共晶焊料來形成互連。
　　低成本的凸點工藝，如電鍍或模板印刷(與濺射或化學鍍膜的UBM結合)，已被普遍采用。這里,凸點成本比蒸發工藝低，而且在集成電路上使用共晶焊料可以省去在印制板上放置焊料的成本。其它焊料，包括無鉛的、高鉛的和低α相鉛的，今天也在制造中使用。
　　晶圓切片通常被看作下游組裝工序的第一個步驟。它把每個晶圓割離成單個的集成電路芯片。用一個轉速達到 60,000 rpm的研磨鉆石砂***,沿著在集成電路有效面積之間的稱為"街道"的特定的切割區進行切割。通常，同時使用離子水沖洗切割區域和切片砂***，保證切割質量和延長砂***的壽命。工藝過程中，必須將割離的集成電路芯片上的切片引起的缺陷減到最小，例如，頂部碎屑可能落到芯片內的有效區域，而背側碎屑對倒裝芯片的可*性極為有害，芯片面積內的邊緣裂紋，甚至背部碎屑，時常會在熱應力或機械應力下傳播,導致器件的早期失效。

焊劑/貼片/回流焊
　　在晶圓被切片之后, 割離的芯片仍可留在晶圓切片框架上，也可從切片框架上移到晶片盒、盤、平面帶或卷盤帶中。倒裝芯片貼片裝置必須能夠操作這些具有不同外包裝的帶凸點的芯片。晶圓盒適于小批量生產使用，或貼放已知的好芯片（KGD）。卷盤帶適用于能處理卷盤帶的 SMT 貼片裝置。直接送到貼片裝置的切片框架的晶圓最為普通，并適合于大批量制造的需要。
　　真正的倒裝芯片組裝程序從施加焊劑開始。有很多施加焊劑的方法,包括浸蘸、滴涂、模板印刷或噴涂，每種技術有它自己的優點和應用場合。焊劑和黏膠的浸蘸方法通常在貼片裝置上使用。這個方法的優點是可以把焊劑定位到芯片的凸點上。
　　為了大批量制造的一致性，必須對焊劑薄膜的高度和盤片的轉速進行控制。滴涂工藝需要對滴涂體積和重復性作嚴格的控制。模板印刷焊劑適合于大批量制造,但是需要額外的上游設備。不管施加的方法如何，在固定倒裝芯片器件的時候, 必須考慮材料特性與所用焊料之間的兼容性。
　　在施加焊料之后,芯片從上述的各種外包裝中被拾取出來。通常采用多頭、高速、和超高精度貼片系統。為了支持半導體下游工序和 EMS組裝在市場上的聚合趨勢,今天的貼片裝置,例如，新的Siemens SiPlace HF機器,能夠在很大的印制板面積上同時提供很高的速度和精度，高精度照相機在倒裝芯片與印制板的對準過程中起著關鍵作用。
　　貼片的關鍵因素是正確地拾取元件、定位的精度和重復性、貼片的力度,停留的時間和生產量。倒裝芯片貼片精度的要求通常大約是凸點間距的10%, 重要的是將平移和回轉的偏差或它們的組合減到最小。對于各種工藝因素都必須進行詳細的研究，包括芯片大小、凸點間距、凸點高度和每個芯片中凸點的數目等。每個因素都要在很大的變動范圍中考察，以便能在各種條件下處理芯片。
　　貼片裝置上用的吸嘴類型根據芯片外包裝類型、芯片大小及管腳底座(是全部陣列還是周邊陣列)來選擇。割離的晶圓(芯片)被取出,轉成面向下并貼在印制板上。如果吸嘴的硬度和適應性是正確的,對芯片或其凸點就不會有傷害。包裝在卷盤帶或晶圓盒中芯片通常已經倒放，所以只要拾取、定位和貼放。
　　為了防止放置好的芯片在回流焊工序之前產生移動,必須盡量減少搬動。因此, 回流焊工序通常在一條在線、多級、連續的加熱爐內完成, 爐內通常采用強迫對流、IR加熱或有熱對流的傳導等加熱方法。不管哪種情況，爐內的氣流和溫度曲線控制，對于保證形成良好的回流焊節點是很緊要的。溫度曲線的重點是液態溫度以上的時間、上升斜率、峰值溫度、浸透時間、浸透溫度、冷卻斜率和對流流量。準確地設置溫度曲線 (將熱電偶放置在芯片下) 對防止基板退化、焊料空洞和焊球形成都是很重要的。焊劑的兼容性、活性和均勻的熱傳導也十分重要。

底部填充處理
　　在焊料回流焊工序之后，就要進行材料的底部填充，以便把芯片固定在印制板上, 從而大大地增加互連的整體性和可*性。最通常的技術是在焊料回流焊之后注入底部填充材料。然而, 在某些應用中，也可在芯片附著到印制板上之前，先注入或用模板印刷好底部填充材料，然后在焊料回流焊工序期間進行固化。
　　為使底部填充工序成功，考慮的主要因素是底部填充材料的性能和相容性(適當的Tg，CTE,模量等)、注入體積、注入方式、印制板溫度和底部填充的流動過程。常規的底部填充流動*毛細管引力的作用，它與芯片大小和形狀、凸點式樣、縫隙尺寸、底部填充材料的黏度、芯片和印制板的表面張力和底部填充材料浸潤角有關。注入式樣有單邊/多次的和雙邊的，隨后沿芯片周圍注入形成彎月面。
　　注針大小、離芯片邊緣的注入距離、注針在印制板上的高度以及注入速度是必須了解并控制的工藝因素。同樣，在底部填充處理期間控制印制板溫度，可以促進較快的毛細管流動而避免過早的凝結。
　　了解材料的流動式樣、以及如何預防空洞或分層(見圖4所示的C-超聲掃描特征圖)，對確?？?的倒裝芯片組裝十分關鍵。分層無論來自芯片或基板的底部填充,都會因濕氣及溫度的循環環境而加速,從而導致焊料節點的高應力集中并引起早期失效。


圖4.  C-SAM特征圖-展現了倒裝芯片器件底部的填充空洞。

　　底部填充材料的固化工序可在在線的連續爐、或批處理爐中完成?？刂茽t中溫度的均勻性、固化時間和氣流條件都有利于實現底部填充材料應有的優點。
　　倒裝芯片的成功實現和使用，來自對諸多相關設計、工藝、設備和材料等因素的認識。必須對每個因素都給予考慮，才能滿足愈來愈多新產品提出的要求，并使這個技術更加成熟。