倒装芯片FCFlipChip装配关键技术.doc

摘要：倒装芯片在产品成本，性能及满足高密度封装等方面 体现出优势，它应用也徐徐成为主流。由于倒装芯片 尺寸小，要保证高精度高产量高重复性，这给咱们老式 设备及工艺带来了挑战。器件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-Chip ）等应用得越来越多。这些 技术浮现更加模糊了一级封装与二级装配之间界线。毋庸置疑，随着小型化高密度封装浮现，对高速与高精度装 配规定变得更加核心，有关组装设备和工艺也更具先进性与高灵活性。 由于倒装芯片比 BGA 或 CSP 具备更小外形尺寸、更小球径和球间距、它对植球工艺、基板技术、材料兼容性、制造工艺，以及检查设备和办法提出了前所未有挑战。倒装芯片发展历史倒装芯片定义 什么器件被称为倒装芯片？普通来说，此类器件具备 如下特点： 1. 基材是硅； 2. 电气面及焊凸在器件下表面； 3. 球间距普通为 4-14mil 、球径为 2.5-8mil 、外形尺寸为 1 -27mm ； 4. 组装在基板上后需要做底部填充。 其实，倒装芯片之因此被称为“倒装”，是相对于老式金属线键合连接方式（Wire Bonding）与植球后工艺而言。老式通过金属线键合与基板连接芯片电气面朝 上（图1），而倒装芯片电气面朝下（图2），相称于将 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），需要将其翻转，送入贴片机，便于贴装，也由于这一翻转过程，而被称为“倒装芯片”。 图1 图2 图3倒装芯片历史及其应用倒装芯片在1964年开始浮现，1969年由IBM创造了倒 装芯片C4工艺（Controlled Collapse Chip Connection， 可控坍塌芯片联接）。过去只是比较少量特殊应用，近 几年倒装芯片已经成为高性能封装互连办法，它应用 得到比较广泛迅速发展。当前倒装芯片重要应用在Wi- Fi、SiP、MCM、图像传感器、微解决器、硬盘驱动器、医用传感器，以及RFID等方面（图5）。 图4 图5与此同步，它已经成为小型I/O应用有效互连解决方案。随着微型化及人们已 接受SiP，倒装芯片被视为各种针脚数量低应用首选办法。从整体上看，其在低端应用和高品位应用中采用，根 据TechSearch International Inc对市场容量预测，焊球凸点倒装芯片年复合增长率（CAGR）将达到31%。倒装芯片应用直接驱动力来自于其优良电气性能，以及市场对终端产品尺寸和成本规定。在功率及电 信号分派，减少信号噪音方面体现出众，同步又能满足高密度封装或装配规定。可以预见，其应用会越来越广泛。倒装芯片组装工艺流程普通混合组装工艺流程在半导体后端组装工厂中，当前有两种模块组装办法。在两次回流焊工艺中，先在单独SMT生产线上组装SMT器件，该生产线由丝网印刷机、贴片机和第一种回 流焊炉构成。然后再通过第二条生产线解决某些组装模块，该生产线由倒装芯片贴片机和回流焊炉构成。底部填 充工艺在专用底部填充生产线中完毕，或与倒装芯片生产线结合完毕。 图6倒装芯片装配工艺流程简介相对于其他IC器件，如BGA、CSP等，倒装芯片 装配工艺有其特殊性，该工艺引入了助焊剂工艺和底部填充工艺。由于助焊剂残留物（对可靠性影响）及桥连 危险，将倒装芯片贴装于锡膏上不是一种可采用装配办法。业内推出了无需清洁助焊剂，芯片浸蘸助焊剂工艺成为广泛使用助焊技术。当前重要代替办法是使用免洗助焊剂，将器件浸蘸在助焊剂薄膜里让器件焊球蘸取一 定量助焊剂，再将器件贴装在基板上，然后回流焊接；或者将助焊剂预先施加在基板上，再贴装器件与回流焊 接。助焊剂在回流之前起到固定器件作用，回流过程中起到润湿焊接表面增强可焊性作用。倒装芯片焊接完毕后，需要在器件底部和基板之间填充一种胶（普通为环氧树酯材料）。底部填充分为于“毛细流动原理”流动性和非流动性（No-follow）底部填充。上述倒装芯片组装工艺是针对C4器件（器件焊凸材料为SnPb、SnAg、SnCu或SnAgCu）而言。此外一种工艺是 运用各向异性导电胶（ACF）来装配倒装芯片。预先在基板上施加异性导电胶，贴片头用较高压力将器件贴装在基板 上，同步对器件加热，使导电胶固化。该工艺规定贴片机具备非常高精度，同步贴片头具备大压力及加热功能。 对于非C4器件（其焊凸材料为Au或其他）装配，趋向采用此工艺。这里，咱们重要讨论C4工艺，下表列出是倒装芯片植球（Bumping）和在基板上连接几种方式。倒装倒装芯片几何尺寸可以用一种“小”字来形容：焊球直径小（小到0.05mm），焊球间距小（小到0.1mm），外形尺寸小（1mm2）。要获得满意装配良率，给贴装设备及其工艺带来了挑战，随着焊球直径缩小，贴装精度规定越来越高，当前12m甚至10m精度越来越常用。贴片设备照像机图形解决能力也十分核心，小球径小球间距需要更高像素像机来解决。随着时间推移，高性能芯片尺寸不断增大，焊凸（Solder Bump）数量不断提高，基板变得越来越薄，为了提高产品可靠性底部填充成为必要。 图7 图8对贴装压力控制规定考虑到倒装芯片基材是比较脆硅，若在取料、助焊剂浸蘸过程中施以较大压力容易将其压裂，同步细小焊凸在此过程中也容易压变形，因此尽量使用比较低贴装压力。普通规定在150g左右。对于超薄形芯片，如0.3mm，有时甚至规定贴装压力控制在35g。对贴装精度及稳定性规定对于球间距小到0.1mm器件，需要如何贴装精度才干达到较高良率？基板翘曲变形，阻焊膜窗口尺寸和位置偏差，以及机器精度等，都会影响到最后贴装精度。关于基板设计和制造状况对于贴装影响，咱们在此不作讨论，这里咱们只是来讨论机器贴装精度。芯片装配工艺对贴装设备规定为了回答上面问题，咱们来建立一种简朴假设模型：1.假设倒装芯片焊凸为球形，基板上相应焊盘为圆形，且具备相似直径；2.假设无基板翘曲变形及制造缺陷方面影响；3.不考虑Theta和冲击影响；4.在回流焊接过程中，器件具备自对中性，焊球与润湿面50%接触在焊接过程中可以被“拉正”。那么，基于以上假设，直径25m焊球如果其相应圆形焊盘直径为50m时，左右位置偏差（X轴）或 先后位置偏差（Y轴）在焊盘尺寸50%，焊球都始终在焊盘上（图9）。对于焊球直径为25m倒装芯片，工艺能力Cpk要达到1.33话，规定机器最小精度必要达到12m3sigma。 图9对照像机和影像解决技术规定要解决细小焊球间距倒装芯片影像，需要百万像素数码像机。较高像素数码像机有较高放大倍率， 但是，像素越高视像区域（FOV）越小，这意味着大器件也许需要多次“拍照”。照像机光源普通为发光二极 管，分为侧光源、前光源和轴向光源，并可以单独控制。倒装芯片成像光源采用侧光、前光，或两者结合。那么，对于给定器件如何选取像机呢？这重要依赖图 像算法。譬如，区别一种焊球需要N个像素，则区别球间 距需要2N个像素。以环球仪器贴片机上Magellan数码像机为例，其区别一种焊球需要4个像素，咱们用来看不同 焊球间隙所规定最大像素应当是多大，这便于咱们根 据不同器件来选取相机，假设所有影像是实际物体尺寸75%。倒装芯片基准点（Fiducial）影像解决与普通基准 点相似。倒装芯片贴装往往除整板基准点外（Global fiducial）会使用局部基准点（Local fiducial），此时基 准点会较小（0.15-1.0mm），像机选取参照上面方 法。对于光源选取需要斟酌，普通贴片头上相机光源 都是红光，在解决柔性电路板上基准点时效果很差，甚至找不到基准点，其因素是基准点表面（铜）颜色和基 板颜色非常接近，色差不明显。如果使用环球仪器蓝色光源专利技术就较好解决了此问题。 图10吸嘴选取由于倒装芯片基材是硅，上表面非常平整光滑，最佳选取头部是硬质塑料材料具多孔ESD吸嘴。如果选取头部 为橡胶吸嘴，随着橡胶老化，在贴片过程中也许会粘连器件，导致贴片偏移或带走器件。对助焊剂应用单元规定助焊剂应用单元是控制助焊剂浸蘸工艺重要某些， 其工作基本原理就是要获得设定厚度稳定助焊剂薄 膜，以便于器件各焊球蘸取助焊剂量一致。 要精准稳定控制助焊剂薄膜厚度，同步满足高速浸蘸规定，该助焊剂应用单元必要满足如下规定：1.可以满足多枚器件同步浸蘸助焊剂（犹如步浸蘸4或7枚）提高产量；2.助焊剂用单元应当简朴、易操作、易控制、易清洁；3.可以解决很广泛助焊剂或锡膏，适合浸蘸工艺 助焊剂粘度范畴较宽，对于较稀和较粘助焊剂都 要能解决，并且获得膜厚要均匀；4.蘸取工艺可以精准控制，浸蘸工艺参数因材料不同而会有差别，因此浸蘸过程工艺参数必要可以单独控制，如往下加速度、压力、停留时间、向上加速度等。 图11对供料器规定要满足批量高速高良率生产，供料技术也相称核心。倒装芯片包装方式重要有这样几种：22或44英 JEDEC盘、200mm或300mm圆片盘（Wafer）、尚有 卷带料盘（Reel）。相应供料器有：固定式料盘供料器 (Stationary tray feeder)，自动堆叠式送料器（Automated stackable feeder），圆片供料器（Wafer feeder），以及带式供料器。所有这些供料技术必要具备精准高速供料能力，对于圆片供料器还规定其能解决各种器件包装方式，譬如： 器件包装可以是JEDEC盘、或裸片，甚至完毕芯片在机器内完毕翻转动作。咱们来举例阐明几种供料器. Unovis裸晶供料器（DDF Direct Die Feeder）特点：可用于混合电路或感应器、多芯片模组、系统封装、RFID和3D装配圆片盘可以竖着进料、节约空间，一台机器可以安装多台DDF芯片可以在DDF内完毕翻转可以安装在各种贴片平台上，如：环球仪器、西门子 、安必昂、富士对板支撑及定位系统规定有些倒装芯片是应用在柔性电路板或薄型电路板上，这时候对基板平整支撑非常核心。解决方案往往会用到 载板和真空吸附系统，以形成一种平整支撑及精准定位系统，满足如下规定：1.基板Z方向精准支撑控制，支撑高度编程调节；2.提供客户化板支撑界面；3.完整真空发生器；4.可应用非原则及原则载板。回流焊接及填料固化后检查对完毕底部填充后来产品检查有非破坏性检查和破坏性检查，非破坏性检查有：运用光学显微镜进行外观检查，譬如检查填料在器件侧面爬升状况，与否形成良好边沿圆角，器件表面与否有脏污等运用X射线检查仪检查焊点与否短路，开路，偏移，润湿状况，焊点内空洞等电气测试（导通测试），可以测试电气联结与否有 问题。对于某些采用菊花链设计测试板，通过通断测试还可以拟定焊点失效位置运用超声波扫描显微镜（C-SAM）检查底部填充后 其中与否有空洞、分层，流动与否完整破坏性检查可以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分析仪（SEM/EDX），检查焊点微观构造，例如，微裂纹/微孔，锡结晶，金属间化合物，焊接及润湿状况，底部填充 与否有空洞、裂纹、分层、流动与否完整等。完毕回流焊接及底部填充工艺后产品常用缺陷有：焊点桥连/开路、焊点润湿不良、焊点空洞/气泡、焊点开裂/脆裂、底部填料和芯片分层和芯片破裂等。对于底部填充与否完整，填料内与否浮现空洞，裂纹和分层现象，需要超声波扫描显微镜（C-SAM）或通过与芯片底面平行 切片（Flat section）结合显微镜才干观测到，这给检查此 类缺陷增长了难度。底部填充材料和芯片之间分层往往发生在应力最大 器件四个角落处或填料与焊点界面，如图13所示。人类在漫长岁月里，创造了丰富多彩音乐文化，从古至今，从东方到西方，中华人民共和国文化艺术，渊源流长。国内最早歌曲可以追溯到原始社会，例如传说中伏羲时【网罟之歌】，诗经中【关关雉鸠】，无论是思想内容，还是艺术形式，都已发展到很高水平。咱们华人音乐有着悠久历史，有着独特风格，在世界上，希腊悲剧和喜剧，印度梵剧和中华人民共和国京剧，被称为【世界三大古老戏剧】，而京剧则是国之瑰宝，是咱们华人骄傲，亦是世界上最璀璨一颗明珠。你可懂得高山流水遇知音故事？你可懂得诸葛亮身居空城，面对敌兵压境，饮酒抚琴故事？列宁曾经说过：我简直每天都想听奇妙而非凡音乐，我经常自豪，也许是幼稚心情想，人类怎么会创造出这样奇迹？一种伟大无产阶级革命家，为什么对音乐如此痴狂？音乐究竟能给咱们带来什么？泰戈尔说：我举目漫望着各处，尽情感受美世界，在我视力所及地方，布满了弥漫在天地之间乐曲。【二】音乐，就是灵魂漫步，是心事诉说，是情愫流淌，是生命在徜徉，它可以让寂寞绽放成一朵花，可以让时光婉约成一首诗，可以让岁月凝聚成一条河，流过山涧，流过小溪，流入你我麦田我相信所有人，都曾被一首歌感动过，或为其旋律，或某句歌词，或没有缘由，只是感动，有时候，咱们喜欢一首歌，并不是这首歌有多么好听，歌词写多么好，而是歌词写像自己，咱们开心时候听是音乐，伤心时候，慢慢懂得了歌词，而真正打动你不是歌词，而是在你生命中，关于那首歌故事或许，在咱们每个人内心深处，都藏着一段如烟往事，不经阳光，不经雨露，任岁月青苔覆盖，而突然间，在某个拐角，或者某间咖啡厅，你突然听到了一首歌，或是你熟悉旋律，刹那间，你泪如雨下，虽然你不乐意去回忆，可是瞬间便触碰了你心中最柔软地方，荡起了心灵最深处涟漪，这就是音乐神奇，音乐魅力！【三】德国作曲家，维也纳古典音乐代表人贝多芬，49岁时已经完全失聪，然而，她成名曲【命运交响曲】却是震惊世界，震撼咱们心灵，在她音乐世界里，你能感受到生命悲怆，岁月波澜，和与命运抗衡，这就是音乐赋予力量！贝多芬说：音乐是比一切智慧、一切哲学更高启示，谁能渗入我音乐意义，便能超脱寻常人无以自拔苦难。其实，人生就是一次漫长旅行，一场艰难跋涉，无论碰见如何风景，繁华过后，终归平淡，无论碰见还是告别，相聚亦是别离，咱们都应当怀着感恩心，善待生命，善待自己每一首歌都是一种故事，每一段音乐都是一段过往，不知哪首歌里写满了你故事？哪段音乐有你最美回忆？想念一种人时候，与否在安静夜晚？悲哀时候，与否单曲循环？高兴时分，与否在音乐里手舞足蹈？我喜欢音乐，没有任何理由，音乐是我灵魂伴侣，是我生活知己，它能懂我喜，伴我忧，随着着淡淡旋律，它便融入我生命，浸透我灵魂。我喜欢音乐，音乐不但仅是一种艺术享有，还能丰富我生活，给我带来创作灵感，一首歌，或一句歌词，都是我写作素材，都是我灵感源泉，它犹如涓涓细流，汩汩流淌，令我思路翩翩，令我意象浓浓当我忧伤时候，我喜欢在音乐里漫步，当我高兴时候，我喜欢在音乐里起舞，当我迷茫困惑时候，唯有音乐，才是我最佳陪伴【四】红尘喧嚣，世事沧桑，三千烟火，韶光迷离，咱们在尘世间行走，凡尘琐事总会困扰于心，我已经习惯了，将浅浅心事蕴藏在文字里，将淡淡忧伤释怀在音乐中，委婉旋律，环绕于耳，凄美歌词，萦绕于心， 当我累了，倦了，我只想置身于音乐海洋，忘掉凡尘，忘掉喧嚣，安静去听一首歌