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倒裝晶片：向主流製造工藝推進

By Dr. Scott Joslin, James Lance, Daniel Yeaple and Douglas Hendricks
　　創新製造與設計技術使得成百萬使用倒裝晶片裝配尋呼機成功地製造出來。
　　對較小外形和較多功效低成本電子設備需求繼續在增長。這些快速變化市場挑戰著電子製造商，降低製造成本以保證可接收利潤率。倒裝晶片裝配(flip chip assembly)被認爲是推進低成本、高密度攜帶型電子設備製造所必須一項技術。
在低成本應用中，倒裝晶片成功是因爲它可達到相對于傳統表面貼裝元件包裝更大成本效益。比如，一款新尋呼機利用了倒裝晶片技術將微控制器裝配於PCB，因爲倒裝晶片使用較少電路板空間，比傳統塑膠球柵陣列(PBGA, plastic ball grid array)成本較低。
材料
積體電路(Integraded circuit)
在這款尋呼機中積體電路(IC, integrated circuit)是一個 5 x 5.6 mm 微控制器，要求100個輸入/輸出(I/O)連接於PCB。將四面I/O重新分配爲2.5排減少點數(depopulated)球柵陣列形式來接納PCB線/空格和通路孔焊盤限制。錫球(bump)佈局與間距如圖一所表示。
　　使用了電鍍共晶錫/鉛錫球，因爲與其它替换者比較，它成本低得多。錫球直徑大約爲125 µm，球下金屬(UBM, under bump metalization)爲一個顧客要求45µm銅柱，如圖二。
印刷電路板(PCB, printed circuit board)
成本原因決定這款尋呼機PCB佈局。PCB是標準FR-4，四個金屬層和一個無電鍍鎳/金表面塗層。由於增加材料成本和有限可獲得性，所以沒有使用高密度互連(HDI, high-density interconnect)技術。無電鍍鎳/金表面塗層滿足全部産品要求。現場可靠性問題排除了選擇有機可焊性保護層(OSP, organic solderability preservative)，選擇性鎳-金成本增加也沒有吸引性。
最低成本PCB供應商工藝能力限制板密度爲100µm線/空和0.5mm通路孔焊盤。所以，全部通路孔(via)全部是通孔(through-hole)型，避免盲孔(blind via)成本增加。這些限制和阻焊層公差決定IC分佈形式、錫球尺寸和裝配間距， 並定義晶片貼放要求。
限制通路孔焊盤尺寸爲最小0.5mm，意味著晶片(die)底下只能放13個通路孔(via)剩下I/O不得不用100µm線與空在基板頂面走出去。只使用定面金屬層來佈線剩下87個I/O，這給IC重新分佈形式定下了一個標準。100µm線與空設計要求將最終裝配間距固定在200µm(圖三)。

　　阻焊層(soldermask)設計與工藝限制對直接晶片安裝(DCA, direct chip attachment)裝配過程是關鍵。必須控制電鍍共晶錫球熔濕(wet)，以预防回流期間焊接點完全坍毁和斷源。阻焊層可用來限制焊錫熔濕和控制錫球塌落程度。這個控制是通過爲每個錫球座設計離散阻焊層開口來完成(圖四)。在本文所述應用中，工藝限制和貼裝設備能力使得不能使用單獨定義錫球座。
低成本PCB供應商通常只能够維持大批量生産時±75µm阻焊層對位精度。用 於晶片貼裝(die placement)導向絲杆設備精度能力爲±50µm。這些公差累積要求0.375mm阻焊層開口來保證貼裝與回流過程達到6σ能力。這個尺寸開口容納阻焊層偏移和貼裝公差，而不會將120µm直徑錫球放到阻焊層上。
最後佈局利用單個阻焊條或“堤擋”來限制焊錫熔濕流出，並在關鍵區域预防斷源。堤擋放在流道上，直接連接于內通孔連線孔(via)或那些認爲太長線上。要求總共11條阻焊堤擋或條來足夠地保護裝配(圖五)。這隨機放置阻焊條提供整個晶片連續毛細管作用，結果得到均勻充膠(underfill)流峰，和無空洞密封膠。
錫球(solder bump)
在阻焊層可用於控制低成本、密間距應用晶片(die)塌落之前，必須改進材料定位和孔準確度。阻焊堤擋可有效预防焊錫點斷源，但不能充足地限制回流時錫球坍毁(die collapse)。爲了有效地控制晶片離板高度，錫球銅UBM(錫球下金屬)需要改進。使用45µm銅柱UBM可達到連續一致工藝過程和可靠性。這個錫球結構提供阻焊層之上43µm間隙，轻易作底部充膠。圖六顯示最後錫球結構和回流之後相應力板高度。
工藝過程
　　建立最終設計版本和材料規格，允許製造過程得到優化，達到最大産量與最好品質。雖然與標準表面貼裝相同，倒裝晶片要求特殊考慮原因。在工廠實施之前準備將改進生產線産量，過程合格率和産品可靠性。倒裝晶片工藝包含上助焊劑(fluxing)、晶片貼裝(die placement)、回流(reflow)、底部充膠(underfill)和固化(cure)。
上助焊劑(fluxing)
上助焊劑(fluxing)是倒裝晶片工藝第一步，其关键性經常被低估了。在形成連接之前，助焊劑將晶片保持在位置上，減少氧化和加速共晶焊錫球回流。本應用中使用免洗助焊劑含有高粘著性(tack)、低粘度(viscosity)、長蒸發時間、最低回流焊後殘留物、低毒性和最小氣味。
在錫球回流之前晶片移動是一個關注，因爲200µm裝配間距幾乎不允許有對位元錯誤。造成未對準或相對移位元晶片原因可能不一样，但包含：
· PCB彎曲變形(warped PCB)：當晶片(die)貼放到電路板表面時，彎曲板可能會柔曲。已經貼裝在板上晶片，在剩下晶片貼裝時，要經受電路板類似於崩床運動。
· 板傳送：在晶片(die)貼裝之後，裝配傳送到回流焊爐必須流暢。傳送帶對不准或貼裝單元升起定位機構或傳送帶忽然加速全部可能造成晶片移位元。
· 爐情況：爐內高速氣流將吹動晶片偏移定位。
　　含有高粘著性和低蒸發速率助焊劑系統將減少這些材料處理缺点和提升愈加快生産線速度。假如助焊劑在晶片貼裝或回流之前蒸發，那麽IC更可能移位。慢蒸發保持最多助焊劑，在回流爐升溫和保溫區期間，把晶片固定在位。理想，助焊劑不應該蒸發太多，直到元件達到回流溫度曲線液化區域。快速乾燥醇基助焊劑可能要求晶片貼裝之前分階段處理。
　　爲了充足利用貼裝單元，上助焊劑是使用一台專用滴膠機在晶片貼裝之前完成。沒有採用諸如壓印(stamping)、浸(dipping)或刷(brushing)等接觸式方法，由於産品專門定位裝置和對污染關注。

量控制是助焊劑滴塗最关键方面。要求最少量是百分之百覆蓋錫球座/滑道(site/runner)。不完全覆蓋將造成電氣開路和裝配報廢。增加量超過了百分之百要求將改善粘著性能，但可能反過來影響産品可靠性。過多助焊劑可能造成回流焊後殘留物和不期望區域侵蝕。有機殘留物對底部充膠是有害，降低系統現場可靠性。助焊劑遷移或流動超出晶片座可能引发焊錫球(solder ball)、元件豎立(tombstoning)和PCB離子污染(ionic contamination)。對每個産品最後量規定必須平衡百分之百覆蓋要求、最大粘著性能、最少助焊劑殘留物和元件偏移控制。

　　上助焊劑不要求很高放置精度。使用兩個全局基準點作板定位，可得到很高可信水平。對每個貼片座局部基準點是沒有必需，它會降低設備周期。設備購買時不能沒有視覺系統，但多數便利設施能够省去 - 快速簡便産品編程和設定確認等。

晶片貼裝(die placement)

　　晶片貼裝轻易實施，因爲設備對工廠人員全部很熟悉。設備含有C4倒裝晶片貼裝頭，只用於IC貼裝。貼裝頭有四個貼裝轉軸(spindle)，維持X-Y貼裝精度爲±200µm和最大貼裝力爲2500g。晶片以盤帶包裝，用黑色叠爾林(Delrin)吸嘴來吸收元件。

　　通常，貼裝壓力應該爲每個I/O 6~12g。在這種情況下，100 I/O要求600~1200g之間壓力。過大貼裝壓力有一個缺點，儘管貼裝頭/視覺系統掃描後已經作了糾正，貼裝壓力可能産生元件偏移。還有，假如託盤剛性不夠，或板支撐不正確，貼裝時板可能會向下彎曲。

　　元件視覺識別路線設定是，沿晶片周圍識別48個錫球(bump)，和中間周围一個定向錫球。錫球數量經過優化達到最高貼裝精度和最大機器産量。增加錫球數量大大地延長處理時間，而貼裝精度保持不變。

　　一個解析度爲每個象素1.3mil相機用來抓拍晶片圖像。通過二級光強度側光，得到足夠對比度。貼裝單元也配備一個每個象素0.5mil可選相機，但要求抓拍兩個晶片圖像。

　　用三個全局基準點來決定PCB和貼裝座位置。基準點應該是金屬作，以保證錫球貼放是相對於倒裝晶片焊盤，而不是阻焊層。

　　貼裝之後、回流之前板全部運動和傳送必須平滑，不能影響元件定位。假如元件移位元是來自貼裝單元，那麽機器傳送帶、升起定位和Z-軸加速度和速度設定可能需要降低。在高速運作期間，也必須使用適當板支撐，以減少PCB撓曲。撓曲或反回可能引发前面貼裝晶片移出焊盤，特別是假如在表面貼裝之前陣列(array)翹曲。

回流(Reflow)

　　在貼裝工藝之後，裝配通過一個空氣對流爐，來回流共晶焊錫球，形成電氣連接。爐設定按標準表面貼裝溫度曲線。氮氣流速提供良好熱傳導，限制氧氣污染。爐進口處過大氮氣流速可能引发晶片偏移出焊盤，所以引發缺点。假如這個偏移變成一個長期問題，可增加分流板來预防氣流直接衝擊晶片。開始溫度斜率不應該超過每秒1.5~2.0°C。高預熱速率快速蒸發助焊劑，引发回流焊接之前晶片偏移，甚至翻轉。

　　每個産品全部必須作溫度曲線，以保證滿足適當回流條件。在生產線預防性維護或板有任何改動之後，應該再作溫度曲線。表面上不关键修改，如改變地線層尺寸或位置，可影響熱傳遞速率和倒裝晶片回流。氮氣流速使用安裝在爐前流量計來監測。氧氣水平可用也是安裝在爐前探測器來檢查。

　　先進先出(FIFO, first-in, first-out)緩衝器應該安裝在回流爐立即出口，在底部充膠單元之前。這個預防方法將收在集流水線關閉期間正在回流爐內任何電路板。

底部充膠(Underfill)

　　底部充膠對倒裝晶片裝配長期可靠性是必須。膠減少焊接點應力，將應力均勻地分散在倒裝晶片介面上。每個充膠系統可靠性可能差別很大，決定於倒裝晶片裝配結構；原因包含離板間隙(standoff)高度、晶片鈍化、阻焊劑供應商和PCB材料。所期望製造特征包含快速流動速率、快速固化、長儲存穩定性和轻易使用到倒裝晶片座。爲了達到成功，充膠附著、顆粒尺寸分佈和填充量必須修整，以滿足製造和可靠性要求。

　　多數充膠材料是基於環氧樹脂系統，充入50~70%重量矽來協調穩定膨脹係數(CTE, coefficient of thermal expansion)。全部元素預先混合包裝在注射器內，適於所期望速率和材料儲存壽命。注射器大小應該限制操作員干涉時間爲每四到八個小時，所以減少停線期間材料浪費，但又不太影響産量。
　　充膠材料儲存在-40°C冷凍機內，在裝上滴膠機之前，解凍最少30分鐘。解凍到一個穩定穩定狀態，预防不利粘度變化，它會引发充膠量變化。充膠製造儲存壽命應該最少四小時。在這個時間內，滴膠機應該展示連續膠流、無針嘴滴漏(dripping/drool)和良好滴膠點尾斷開。超過材料儲存壽命可能造成充膠不完整和低劣附著。

　　用旋轉式膠泵將膠填充到基板。這個閥是堅固，易於清潔，並可在膠劑壽命內滴出連續一致膠量。基板溫度是不受控制，其變化決定於經過回流爐之後所持續時間。膠劑是以充膠到晶片全部四條邊形式滴注。這種形式提供良好圓角成型，並且比曾經評估過單線或L形滴膠愈加快速。

　　在滴膠之前，用設備視覺程式來定位IC每條邊，減少滴膠嘴由於移位元晶片而被彎曲機會。損壞滴膠嘴將不會正確地滴膠，在發覺之前可能引发無數缺点。柔性滴膠嘴是個可接收替换者，假如視覺要求反過來影響設備産量。柔性滴膠嘴在受衝擊時會彎曲，不过假如滴膠嘴變形，滴膠精度可能受影響。

　　晶片周圍 1~2mm 元件非入區是所期望，但並不一定總是可行，因爲設計局限。在本文所述情況中，有熱封裝配、一個開關和幾個離散元件處在非入區裏面或周围。滴在或流入熱封元件和開關區域膠可能毀壞整個PCB。密封離散元件不會負面影響射頻性能，但將抑制晶片下膠流。這些元件也將在固化後永久地綁接在位置上，可能使得豎立電容無法修理。12~16mg底部充膠提供必需覆蓋並限制污染。

固化(cure)
　　底部充膠裝配通過一個固化爐，使膠劑聚合。臥式、立式和微波爐全部可使用，決定于應用和固化時間要求：
· 臥式固化爐，成本低、到處全部可找到、可靠、也提供作爲回流焊爐雙重功效。立式與微波爐通常是專門固化爐，不能用於回流。
· 立式爐含有高容量，占地面積小，但複雜性增加可能導致可靠性和維護等問題。
· 微波爐提供快速批量處理，但大大增加固定資産成本。從産品到産品來作爐溫度曲線也變得更困難。
　　5~15 分鐘充膠固化時間允許標準臥式回流焊爐當作固化爐用。爲了增加能力，將爐由單軌通道改爲雙軌通道。這個修改改進了利用率，消除了每條線多個固化爐需要。

　　固化缺点是一個關注，因爲它們可能不被發覺，直到尋呼機到了顧客手中。開始升溫速率和溫度上時間(time-at-temperature)是关键溫度曲線參數，必須得到控制。過快升溫速度可能引发充膠過早凝固，或在系統中揮發低分子重量單分子物體。過早凝固在它適當地密封晶片之前就停止了材料流動，揮發單分子物體將造成空洞。這兩種情況全部是不可接收，並誘發可靠性問題。維持特定固化時間和溫度對充膠達到其完全功效是必須。充膠溫度記錄決定其物理特征，如玻璃態轉化溫度、CTE、粘著力和吸潮特征。加熱時間不充足將造成不適當聚合膠體，可能不能提供足夠完整機械特征。

結論
工程師在實施一項倒裝晶片應用時，應該應用兩條設計規則：
· 限制倒裝晶片將要經受靜態和動態電路板彎曲。將晶片貼放在諸如螺釘頭或鍵盤區域后面等高應力點，可能導致底部充膠脫層和潛在現場失效。

· 避免晶片后面可能受到衝擊區域。如有必需，增加一個衝擊墊或蓋來限制IC斷裂或碎裂。
　　遵守這些規則將改善最後裝配可靠性，和避免潛在現場失效。技術進步繼續推動倒裝晶片裝配邁向表面貼裝製造主流。在許多領域發展，如無流動(no-flow)低部充膠(underfill)、低成本HDI基板和高精度貼片設備，將繼續降低成本和消除實施倒裝晶片技術障礙。