倒装芯片工艺与SMT组装探讨模板.doc

倒装芯片工艺挑战SMT组装1 引言 20世纪90年代以来，移动电话、个人数字助手(PDA)、数码相机等消费类电子产品体积越来越小，工作速度越来越快，智能化程度越来越高。这些日新月异改变为电子封装和组装技术带来了很多挑战和机遇。材料、设备性能和工艺控制能力改善使越来越多EMS企业能够跳过标准表面安装技术(SMT)直接进入优异组装技术领域，包含倒装芯片等。因为越来越多产品设计需要不停减小体积，提升工作速度，增加功效，所以能够估计，倒装芯片技术应用范围将不停扩大，最终会替换SMT目前地位，成为一个标准封装技术。 多年以来，半导体封装企业和EMS企业一直在携手合作，在发挥各自专长同时又参与对方领域技术业务，努力争取使自己技术能力愈加完善和全方面。在半导体工业需求日益增加环境下，越来越多企业开始提供完整处理方案。这种趋同性是大家所期望看到，但同时双方全部见面临一定挑战。比如，以倒装芯片BGA或系统封装模块为例，伴随采取优异技术制造而成产品类型由板组装方法向元件组装方法转变，以往似乎不太关键很多原因全部将发挥至关关键作用。互连应力不一样了，材料不兼容性增加了，工艺步骤也不一样了。不管你新产品类型是否需要倒装芯片技术，不管你是否认为采取倒装芯片时间适宜是否，了解倒装芯片技术所存在很多挑战全部是十分关键。2 倒装芯片技术倒装芯片技术，这一名词包含很多不一样方法。每一个方法全部有很多不一样之处，且应用也有所不一样。比如，就电路板或基板类型选择而言，不管它是有机材料、陶瓷材料还是柔性材料，全部决定着组装材料(凸点类型、焊剂、底部填充材料等)选择，而且在一定程度上还决定着所需设备选择。在现在情况下，每个企业全部必需决定采取哪一个技术，选购哪一类工艺部件，为满足未来产品需要进行哪部分研究和开发，同时还需要考虑怎样将资本投资和运作成本降至最低额。在SMT环境中最常见、最适宜方法是焊膏倒装芯片组装工艺。即使如此，为了确保可制造性、可靠性并达成成本目标也应考虑到该技术很多改变。现在广泛采取倒装芯片方法关键是依据互连结构而确定。如，柔顺凸点技术实现要采取镀金导电聚合物或聚合物弹性体凸点。焊柱凸点技术实现要采取焊球键合(关键采取金线)或电镀技术，然后用导电各向同性粘接剂完成组装。工艺中不能对集成电路(1C)键合点造成影响。在这种情况下就需要使用各向异性导电膜。焊膏凸点技术包含蒸发、电镀、化学镀、模版印刷、喷注等。所以，互连选择就决定了所需键合技术。通常，可选择键合技术关键包含：再流键合、热超声键合、热压键合和瞬态液相键合等。 上述多种技术全部有利也有弊，通常全部受应用而驱动。但就标准SMT工艺使用而言，焊膏倒装芯片组装工艺是最常见，且已证实完全适合SMT。3 焊膏倒装芯片组装技术传统焊膏倒装芯片组装工艺步骤包含：涂焊剂、布芯片、焊膏再流和底部填充等。但为了桷保成功而可靠倒装芯片组装还必需注意其它事项。通常，成功始于设计。首要设计考虑包含焊料凸点和下凸点结构，其目标是将互连和IC键合点上应力降至最低。假如互连设计合适话，已知可靠性模型可估计出焊膏上将要出现问题。对IC键合点结构、钝化、聚酰亚胺开口和下凸点治金(UBM)结构进行合理设计即可实现这一目标。钝化开口设计必需达成下列目标：降低电流密度；减小集中应力面积；提升电迁移寿命；最大程度地增大UBM和焊料凸点断面面积。凸点位置布局是另一项设计考虑，焊料凸点位置尽可能对称，识别定向特征(去掉一个边角凸点)是个例外。布局设计还必需考虑顺流切片操作不会受到任何干扰。在IC有源区上部署焊料凸点还取决于IC电路电性能和灵敏度。除此之外，还有其它IC设计考虑，但晶片凸点制作企业拥有专门IC焊点和布局设计准则来确保凸点可靠性，从而可确保互连可靠性。关键板设计考虑包含金属焊点尺寸和相关焊料掩模开口。首先，必需最大程度地增加板焊点位置润湿面积以形成较强结合点。但必需注意板上润湿面积大小应和UBM直径相匹配。这有利于形成对称互连，并可避免互连一端应力高于另一端，即应力不均衡问题。实际上，设计时，通常会采取使板焊点直径略大于UBM直径方法，目标是将接合应力集中在电路板一端，而不是较弱IC上。对焊膏掩模开口进行合适设计能够控制板焊点位置上润湿面积。 既可采取焊膏掩模设计也可采取无焊膏掩模设计，但将这两种方法结合起来设计是最可靠设计手段。在相关电路板图形上使用矩形开口并将焊膏掩模清楚度也考虑在内即可设计出合适板焊点位置。假如设计不合理，一旦组装环境发生改变或机械因数有所改变，IC就会出现焊膏疲惫断裂。采取底部填料方法确实能够极大地提升倒装芯片元件互连可靠性，但假如不严格遵照设计准则话还是不可避免地会产生一样失效机理。4 晶片凸点制作切片焊料凸点作用是充当IC和电路板之间机械互连、电互连、有时还起到热互连作用。在经典倒装芯片器件中，互连由UBM和焊料凸点本身组成。UBM搭接在晶片钝化层上，以保护电路不受外部环境影响。实际上，UBM充当着凸点基底。它含有极佳和晶片金属和钝化材料粘接性能，充当着焊膏和IC键合金属之间焊膏扩散层，同时还为焊膏提供氧化势垒润湿表面。UBM叠层对降低IC焊点下方应力含有十分关键作用。如前所述，焊料凸点制作技术种类很多。采取蒸发方法需要在晶片表面上溅射势垒金属(采取掩模或用光刻作为辅助手段)形成UMB，然后蒸发Sn和Pb形成焊料。在随即工艺中对Sn和Pb焊料进行再流，形成球形凸点。这一技术很适适用于采取耐高温陶瓷基板含铅量较高凸点(相对易熔焊料凸点而言)。但对有机电路板上SMT应用而言，IC上高铅焊料凸点还需要采取易熔焊料来形成互连。低成本凸点制作技术，如电镀或模版印刷(和溅射或化学镀UBM相结合)全部是现在常见制作工艺。这些工艺凸点制作成本要比蒸发低部分，而且在电路上使用易熔焊料还可省去再将其放置到电路板上那步工艺及其费用。现在生产其它焊料合金包含无铅焊料、高铅焊料和低焊料等。对电镀凸点工艺而言，UBM材料要溅射在整个晶片表面上，然后淀积光刻胶，并用光刻方法在IC键合点上形成开口。然后将焊接材料电镀到晶片上并包含在光刻胶开口中。其后将光刻胶剥离，并对曝光UBM材料进行刻蚀，对晶片进行再流，形成最终凸点。另一个常见方法是将焊料模版印刷到带图形UBM(溅射或电镀)上，然后再流。控制凸点最终高度含有十分关键作用。它能够确保较高组装成品率。用于监测凸点制作工艺破坏性凸点切断测试方法常常会使焊膏中产生失效模式，但绝不会对UBM或下面IC焊点造成这么结果。晶片切割常常被看作是后端组装中第一步。磨蚀金刚石刀片以60,000rpm转速进行切片。切割中要使用去离子水以提升切割质量并延长刀片寿命。现在，降低单个IC上屑片缺点是一项十分紧迫任务。因为顶部屑片有可能靠近芯片有源区，后面屑片对倒装芯片可靠性极其不利。边缘断裂，甚至是芯片区内后面芯片在热应力和机械应力作用下常会扩展，造成器件早期失效。5 焊剂拾装再流完成晶片切割后，可将切分好单个芯片留在晶片上，也可将其放置到华夫饼包装容器、凝胶容器、Surftape或带和轴封装中。倒装芯片布局设备必需含有处理带凸点芯片能力。华夫饼容器适应于小批量需求，或用于免测芯片；带和轴适适用于SMT贴装设备；送至贴装设备晶片较为普遍，且最适合大批量制造应用。实际倒装芯片组装工艺由分配焊剂开始。分配焊剂方法有多个，包含浸液、挤涂分配、模版印刷、或喷涂等。每一个方法全部有其优点和应用范围。贴装设备上通常要装有焊剂或粘接胶浸润组件。这种方法含有将焊剂固定到芯片凸点上优点。控制焊剂膜高度和盘旋转速度对批量生产可反复性十分必需。焊剂分配工艺必需正确控制焊剂分配量和可反复性。模版印刷焊剂适适用于大批量制造，但对逆流设备要求较高。不管采取哪一个方法，在粘贴倒装芯片器件时全部必需考虑材料特征和所用焊剂兼容性。完成焊剂分配工艺后就能够采取多头高速元件拾装系统或超高精度拾装系统拾取芯片了。为了促进半导体后端制造和EMS组装市场结合，现在拾装设备，如西门子SiPlaceHF新型设备全部含有较高速度和精度。倒装芯片和电路板对准由高精度摄像机完成。拾装工艺关键参数包含元件合适拾取、定位精度和可靠性、贴装力度大小、停留时间和成品率等。倒装芯片拾装精度通常要求在凸点节距10左右，以最大程度地减小平移偏移和旋转偏移。很多企业已在不一样板条件下对多种工艺参数进行了广泛研究和探讨，包含芯片尺寸、凸点节距、凸点高度和每个芯片上凸点数量等。拾装设备上所用喷嘴类型是依据芯片尺寸和或凸点引脚(全阵列和环形阵列)等原因而决定。将分好晶片中芯片拾取，面朝下放好，贴到电路板上。假如喷嘴硬度和一致性全部正常话就不会对凸点和芯片造成损坏。将芯片翻动，拾取，对准并贴装。为了避免已装置好芯片在再流工艺前发生移动，操作时应倍加小心。所以，再流工艺通常在直排多级连续炉中采取对流、红外加热、或传导加热(强热对流)进行。在任何一个情况下全部必需严格控制炉内气氛和温度分布，以确保可靠再流焊点。关键影响参数包含液化、峰值温度、斜坡速率、吸收时间、吸收温度、冷却速率和对流速率等。正确分布(即，在芯片下放置热电偶)含有十分关键作用，因为这么能够预防基板退化、焊膏不足和焊膏起球等现象。另外，焊剂一致性、焊剂活化和均匀热传输全部是十分关键参数。6 底部填充焊膏再流工艺以后要使用底部填料以实现芯片和电路板耦合，从而极大地提升互连完整性和可靠性。最常见技术就是在焊膏再流以后分配底部填料。但有部分应用也采取芯片粘贴之前分配不流动底部填料或在电路板上印刷，并在焊膏再流期间进行固化。要想顺利地完成底部填料工艺就必需考虑部分关键参数，如底部填充材料特征和兼容性(合适地Tg、CTE和模件等)、分配量、分配形式、板温度和底部填充流动机理等。利用毛细作用传统底部填充流动关键取决于芯片尺寸和外形、凸点式样、间隔大小、填充材料黏度、芯片和板表面张力、和填充材料润湿角等。针尺寸、离芯片边缘分配距离、针距板高度和分配速度也是必需了解并加以控制关键参数。另外，在填充工艺期间控制板温度能够提升毛细管流动，同时还可避免先期凝胶。要确保高可靠倒装芯片组装就必需充足了解材料流动特征，避免气孔或分层(采取C模式扫描声学显微镜能够看出)。湿气和或温度循环会引发填充材料和芯片或基板分层，而一旦产生分层就有可能造成高应力集中，并造成焊点预先失效。底部填充材料固化工艺可在连续直排炉或间歇炉中完成。控制温度一致性、固化时间、和炉内气氛条件，充足实现底部填料所含有优点是十分关键。倒装芯片成功实现和使用包含很多设计、工艺、设备和材料原因。只有对每一个原因全部加以认真考虑和对待才能够促进工艺和技术不停完善和进步，才能满足应用领域对倒装芯片技术产品不停增加需要。