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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

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器材的小型化高密度封装办法越来越多,如多模块封装(MCM)、体系封装(SiP)、倒装芯片(FC,Flip-Chip)等运用得越来越多。这些 技能的呈现愈加含糊了一级封装与二级安装之间的界限。毋庸置疑,跟着小型化高密度封装的呈现,对高速与高精度装 配的要求变得愈加要害,相关的拼装设备和工艺也更具先进性与高灵活性。


因为倒装芯片比BGA或CSP具有更小的外形尺度、更小的球径和球距离、它对植球工艺、基板技能、资料的兼容性、制作工艺,以及查看设备和办法提出了史无前例的应战。


倒装芯片的开展前史


倒装芯片的界说


什么器材被称为倒装芯片?一般来说,这类器材具有 以下特色:


1.基材是硅;
2.电气面及焊凸在器材下外表;
3.球距离一般为4-14mil、球径为2.5-8mil、外形尺度为1-27mm;
4.拼装在基板上后需求做底部填充。


其实,倒装芯片之所以被称为“倒装”,是相关于传统的金属线键合衔接办法(Wire Bonding)与植球后的工艺而言的。传统的经过金属线键合与基板衔接的芯片电气面朝 上(图1),而倒装芯片的电气面朝下(图2),相当于将 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),需求将其翻转,送入贴片机,便于贴装,也因为这一翻转进程,而被称为“倒装芯片”。


 
图1
  


图2
  


图3


倒装芯片的前史及其运用


倒装芯片在1964年开端呈现,1969年由IBM发明晰倒 装芯片的C4工艺(Controlled Collapse Chip ConnecTIon, 可控崩塌芯片联接)。曩昔仅仅比较少数的特别运用,近 几年倒装芯片已经成为高功用封装的互连办法,它的运用 得到比较广泛快速的开展。现在倒装芯片首要运用在Wi- Fi、SiP、MCM、图画传感器、微处理器、硬盘驱动器、医用传感器,以及RFID等方面(图5)。


 
图4
  


图5


与此一起,它已经成为小型I/O运用有用的互连处理方案。跟着微型化及人们已 承受SiP,倒装芯片被视为各种针脚数量低的运用的首选办法。从全体上看,其在低端运用和高端运用中的选用,根 据TechSearch InternaTIonal Inc对商场容量的估计,焊球凸点倒装芯片的年复合增长率(CAGR)将到达31%。


倒装芯片运用的直接驱动力来自于其优秀的电气功用,以及商场对终端产品尺度和本钱的要求。在功率及电 信号的分配,下降信号噪音方面表现出色,一起又能满意高密度封装或安装的要求。能够预见,其运用会越来越广泛。


倒装芯片的拼装工艺流程


一般的混合拼装工艺流程


在半导体后端拼装工厂中,现在有两种模块拼装办法。在两次回流焊工艺中,先在独自的SMT出产线上拼装SMT器材,该出产线由丝网印刷机、贴片机和第一个回 流焊炉组成。然后再经过第二条出产线处理部分拼装的模块,该出产线由倒装芯片贴片机和回流焊炉组成。底部填 充工艺在专用底部填充出产线中完结,或与倒装芯片出产线结合完结。


 
图6


倒装芯片的安装工艺流程介绍


相关于其它的IC器材,如BGA、CSP等,倒装芯片 安装工艺有其特别性,该工艺引入了助焊剂工艺和底部填充工艺。因为助焊剂残留物(对可靠性的影响)及桥连的 风险,将倒装芯片贴装于锡膏上不是一种可选用的安装办法。业界推出了无需清洁的助焊剂,芯片浸蘸助焊剂工艺成为广泛运用的助焊技能。现在首要的代替办法是运用免洗助焊剂,将器材浸蘸在助焊剂薄膜里让器材焊球蘸取一 定量的助焊剂,再将器材贴装在基板上,然后回流焊接;或许将助焊剂预先施加在基板上,再贴装器材与回流焊 接。助焊剂在回流之前起到固定器材的作用,回流进程中起到潮湿焊接外表增强可焊性的作用。


倒装芯片焊接完结后,需求在器材底部和基板之间填充一种胶(一般为环氧树酯资料)。底部填充分为于“毛细活动原理”的活动性和非活动性(No-follow)底部填充。


上述倒装芯片拼装工艺是针对C4器材(器材焊凸资料为SnPb、SnAg、SnCu或SnAgCu)而言。别的一种工艺是 运用各向异性导电胶(ACF)来安装倒装芯片。预先在基板上施加异性导电胶,贴片头用较高压力将器材贴装在基板 上,一起对器材加热,使导电胶固化。该工艺要求贴片机具有十分高的精度,一起贴片头具有大压力及加热功用。 关于非C4器材(其焊凸资料为Au或其它)的安装,趋向选用此工艺。这儿,咱们首要评论C4工艺,下表列出的是倒装芯片植球(Bumping)和在基板上衔接的几种办法。


倒装倒装芯片几许尺度能够用一个“小”字来描述:焊球直径小(小到0.05mm),焊球距离小(小到0.1mm),外形尺度小(1mm2)。要取得满意的安装良率,给贴装设备及其工艺带来了应战,跟着焊球直径的缩小,贴装精度要求越来越高,现在12μm乃至10μm的精度越来越常见。贴片设备照像机图形处理才干也十分要害,小的球径小的球距离需求更高像素的像机来处理。


跟着时间推移,高功用芯片的尺度不断增大,焊凸(Solder Bump)数量不断进步,基板变得越来越薄,为了进步产品可靠性底部填充成为有必要。


 
图7 
 


图8
  


表1


对贴装压力操控的要求


考虑到倒装芯片基材是比较脆的硅,若在取料、助焊剂浸蘸进程中施以较大的压力简略将其压裂,一起细微的焊凸在此进程中也简略压变形,所以尽量运用比较低的贴装压力。一般要求在150g左右。关于超薄形芯片,如0.3mm,有时乃至要求贴装压力操控在35g。


对贴装精度及稳定性的要求


关于球距离小到0.1mm的器材,需求怎样的贴装精度才干到达较高的良率?基板的翘曲变形,阻焊膜窗口的尺度和方位误差,以及机器的精度等,都会影响到终究的贴装精度。关于基板规划和制作的状况关于贴装的影响,咱们在此不作评论,这儿咱们仅仅来评论机器的贴装精度。


芯片安装工艺对贴装设备的要求


为了答复上面的问题,咱们来树立一个简略的假定模型:


1.假定倒装芯片的焊凸为球形,基板上对应的焊盘为圆形,且具有相同的直径;
2.假定无基板翘曲变形及制作缺点方面的影响;
3.不考虑Theta和冲击的影响;
4.在回流焊接进程中,器材具有自对中性,焊球与潮湿面50%的触摸在焊接进程中能够被“拉正”。


那么,根据以上的假定,直径25μm的焊球假如其对应的圆形焊盘的直径为50μm时,左右方位误差(X轴)或 前后方位误差(Y轴)在焊盘尺度的50%,焊球都一直在焊盘上(图9)。关于焊球直径为25μm的倒装芯片,工艺才干Cpk要到达1.33的话,要求机器的最小精度有必要到达12μm@3sigma。


  
图9


对照像机和印象处理技能的要求


要处理细微焊球距离的倒装芯片的印象,需求百万像素的数码像机。较高像素的数码像机有较高的扩大倍率, 可是,像素越高视像区域(FOV)越小,这意味着大的器材或许需求屡次“摄影”。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,并能够独自操控。倒装芯片的的成像光源选用侧光、前光,或两者结合。


那么,关于给定器材怎么挑选像机呢?这首要依赖图 像的算法。比如,区别一个焊球需求N个像素,则区别球间 距需求2N个像素。以举世仪器的贴片机上Magellan数码像机为例,其区别一个焊球需求4个像素,咱们用来看不同的 焊球空隙所要求的最大的像素应该是多大,这便于咱们根 据不同的器材来挑选相机,假定一切的印象是实践物体尺度的75%。


 
表2


倒装芯片基准点(Fiducial)的印象处理与一般基准 点类似。倒装芯片的贴装往往除整板基准点外(Global fiducial)会运用部分基准点(Local fiducial),此刻的基 准点会较小(0.15—1.0mm),像机的挑选参照上面的方 法。关于光源的挑选需求酌量,一般贴片头上的相机光源 都是红光,在处理柔性电路板上的基准点时作用很差,乃至找不到基准点,其原因是基准点外表(铜)的色彩和基 板色彩十分挨近,色差不明显。假如运用举世仪器的蓝色光源专利技能就很好的处理了此问题。


 
图10


吸嘴的挑选


因为倒装芯片基材是硅,上外表十分平坦润滑,最好挑选头部是硬质塑料资料具多孔的ESD吸嘴。假如挑选头部 为橡胶的吸嘴,跟着橡胶的老化,在贴片进程中或许会粘连器材,构成贴片偏移或带走器材。


回流焊接及填料固化后的查看


对完结底部填充今后产品的查看有非破坏性查看和破坏性查看,非破坏性的查看有:


·运用光学显微镜进行外观查看,比如查看填料在器材旁边面爬高的状况,是否构成杰出的边际圆角,器材外表是否有脏污等


·运用X射线查看仪查看焊点是否短路,开路,偏移,潮湿状况,焊点内空泛等


·电气测验(导通测验),能够测验电气联合是否有 问题。关于一些选用菊花链规划的测验板,经过通断测验还能够确认焊点失效的方位


·运用超声波扫描显微镜(C-SAM)查看底部填充后 其间是否有空泛、分层,活动是否完好


破坏性的查看能够对焊点或底部填料进行切片,结合光学显微镜,金相显微镜或电子扫描显微镜和能谱剖析仪(SEM/EDX),查看焊点的微观结构,例如,微裂纹/微孔,锡结晶,金属间化合物,焊接及潮湿状况,底部填充 是否有空泛、裂纹、分层、活动是否完好等。


完结回流焊接及底部填充工艺后的产品常见缺点有:焊点桥连/开路、焊点潮湿不良、焊点空泛/气泡、焊点开裂/脆裂、底部填料和芯片分层和芯片决裂等。关于底部填充是否完好,填料内是否呈现空泛,裂纹和分层现象,需求超声波扫描显微镜(C-SAM)或经过与芯片底面平行的 切片(Flat secTIon)结合显微镜才干观察到,这给查看此 类缺点增加了难度。


底部填充资料和芯片之间的分层往往发生在应力最大 器材的四个旮旯处或填料与焊点的界面,如图13所示。


  
图13


总结


倒装芯片在产品本钱、功用及满意高密度封装等方面,体现出优势,它的运用也逐渐成为干流。因为倒装芯片的尺度小,要确保高精度高产量高重复性,这给咱们传统的设备及工艺带来了应战,具体表现在以下几个方面:


1.基板(硬板或软板)的规划方面;
2.拼装及查看设备方面;
3.制作工艺,芯片的植球工艺,PCB的制作工艺,SMT工艺;
4.资料的兼容性。


全面了解以上问题是成功进行倒装芯片拼装工艺的根底。


举世仪器SMT实验室自1994年已成功开发此完好工艺,迄今咱们运用了约75种助焊剂和150种底部填充资料在很多不同的基板上贴装了100,000个倒装片,进行测验和详尽的失效剖析,涵盖了广泛的参数规模。


举世仪器关于倒装芯片安装的设备处理方案,统筹了高速和高精度的特色,比如:DDF送料器结合GI-14渠道能够完成裸芯片进料高速贴装,而AdVanTIs XS渠道能够完成精度达9微米3西格码的贴装(见下表)。能够运用这些处理方案完成倒装芯片,体系封装(高混合安装),裸芯片安装及内植器材。


  
表3

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