環(huán)球儀器專家解讀：FC裝配技術

李憶—環(huán)球儀器上海SMT工藝實驗室工藝研究工程師

器件的小型化高密度封裝形式越來越多，如多模塊封裝（MCM）、系統(tǒng)封裝（SiP）、倒裝芯 片（FC，F(xiàn)lip-Chip）等應用得越來越多。這些技術的出現(xiàn)更加模糊了一級封裝與二級裝配之間的界線。毋庸置疑，隨著小型化高密度封裝的出現(xiàn)，對高速與高精度裝 配的要求變得更加關鍵，相關的組裝設備和工藝也更具先進性與高靈活性。

由于倒裝芯片比BGA或CSP具有更小的外形尺寸、更小的球徑和球間距、它對植球工藝、基板技術、材料的兼容性、制造工藝，以及檢查設備和方法提出了前所未有的挑戰(zhàn)。

倒裝芯片的發(fā)展歷史

倒裝芯片的定義

什么器件被稱為倒裝芯片？一般來說，這類器件具備 以下特點：

1.基材是硅；
2.電氣面及焊凸在器件下表面；
3.球間距一般為4-14mil、球徑為2.5-8mil、外形尺寸為1-27mm；
4.組裝在基板上后需要做底部填充。

其實，倒裝芯片之所以被稱為“倒裝”，是相對于傳 統(tǒng)的金屬線鍵合連接方式（Wire Bonding）與植球后的工藝 而言的。傳統(tǒng)的通過金屬線鍵合與基板連接的芯片電氣面朝 上（圖1），而倒裝芯片的電氣面朝下（圖2），相當于將 前者翻轉(zhuǎn)過來，故稱其為“倒裝芯片”。在圓片（Wafer） 上芯片植完球后（圖3），需要將其翻轉(zhuǎn)，送入貼片機，便于貼裝，也由于這一翻轉(zhuǎn)過程，而被稱為“倒裝芯片”。

倒裝芯片的歷史及其應用

倒裝芯片在1964年開始出現(xiàn)，1969年由IBM發(fā)明了倒 裝芯片的C4工藝（Controlled Collapse Chip Connection， 可控坍塌芯片聯(lián)接）。過去只是比較少量的特殊應用，近 幾年倒裝芯片已經(jīng)成為高性能封裝的互連方法，它的應用 得到比較廣泛快速的發(fā)展。目前倒裝芯片主要應用在Wi- Fi、SiP、MCM、圖像傳感器、微處理器、硬盤驅(qū)動器、醫(yī)用傳感器，以及RFID等方面（圖5）。

與此同時，它已經(jīng)成 為小型I/O應用有效的互連解決方案。隨著微型化及人們已 接受SiP，倒裝芯片被視為各種針腳數(shù)量低的應用的首選方 法。從整體上看，其在低端應用和高端應用中的采用，根 據(jù)TechSearch International Inc對市場容量的預計，焊球凸點倒裝芯片的年復合增長率（CAGR）將達到31%。

倒裝芯片應用的直接驅(qū)動力來自于其優(yōu)良的電氣性能，以及市場對終端產(chǎn)品尺寸和成本的要求。在功率及電 信號的分配，降低信號噪音方面表現(xiàn)出色，同時又能滿足高密度封裝或裝配的要求?？梢灶A見，其應用會越來越廣泛。

倒裝芯片的組裝工藝流程

一般的混合組裝工藝流程

在半導體后端組裝工廠中，現(xiàn)在有兩種模塊組裝方法。在兩次回流焊工藝中，先在單獨的SMT生產(chǎn)線上組裝SMT器件，該生產(chǎn)線由絲網(wǎng)印刷機、貼片機和第一個回 流焊爐組成。然后再通過第二條生產(chǎn)線處理部分組裝的模塊，該生產(chǎn)線由倒裝芯片貼片機和回流焊爐組成。底部填 充工藝在專用底部填充生產(chǎn)線中完成，或與倒裝芯片生產(chǎn)線結(jié)合完成。

倒裝芯片的裝配工藝流程介紹

相對于其它的IC器件，如BGA、CSP等，倒裝芯片 裝配工藝有其特殊性，該工藝引入了助焊劑工藝和底部填充工藝。因為助焊劑殘留物（對可靠性的影響）及橋連的 危險，將倒裝芯片貼裝于錫膏上不是一種可采用的裝配方法。業(yè)內(nèi)推出了無需清潔的助焊劑，芯片浸蘸助焊劑工藝成為廣泛使用的助焊技術。目前主要的替代方法是使用免洗助焊劑，將器件浸蘸在助焊劑薄膜里讓器件焊球蘸取一 定量的助焊劑，再將器件貼裝在基板上，然后回流焊接；或者將助焊劑預先施加在基板上，再貼裝器件與回流焊 接。助焊劑在回流之前起到固定器件的作用，回流過程中起到潤濕焊接表面增強可焊性的作用。

倒裝芯片焊接完成后，需要在器件底部和基板之間填充一種膠（一般為環(huán)氧樹酯材料）。底部填充分為于“毛細流動原理”的流動性和非流動性（No-follow）底部填充。

上述倒裝芯片組裝工藝是針對C4器件（器件焊凸材料為SnPb、SnAg、SnCu或SnAgCu）而言。另外一種工藝是 利用各向異性導電膠（ACF）來裝配倒裝芯片。預先在基板上施加異性導電膠，貼片頭用較高壓力將器件貼裝在基板 上，同時對器件加熱，使導電膠固化。該工藝要求貼片機具有非常高的精度，同時貼片頭具有大壓力及加熱功能。 對于非C4器件（其焊凸材料為Au或其它）的裝配，趨向采用此工藝。這里，我們主要討論C4工藝，下表列出的是倒裝芯片植球（Bumping）和在基板上連接的幾種方式。

倒裝倒裝芯片幾何尺寸可以用一個“小”字來形容：焊球直徑?。ㄐ〉?.05mm），焊球間距?。ㄐ〉?.1mm），外形尺寸?。?mm2）。要獲得滿意的裝配良率，給貼裝設備及其工藝帶來了挑戰(zhàn)，隨著焊球直徑的縮小，貼裝精度要求越來越高，目前12μm甚至10μm的精度越來越常見。貼片設備照像機圖形處理能力也十分關鍵，小的球徑小的球間距需要更高像素的像機來處理。

隨著時間推移，高性能芯片的尺寸不斷增大，焊凸（Solder Bump）數(shù)量不斷提高，基板變得越來越薄，為了提高產(chǎn)品可靠性底部填充成為必須。

對貼裝壓力控制的要求

考慮到倒裝芯片基材是比較脆的硅，若在取料、助焊劑浸蘸過程中施以較大的壓力容易將其壓裂，同時細小的焊凸在此過程中也容易壓變形，所以盡量使用比較低的貼裝壓力，一般要求在150g左右。對于超薄形芯片，如0.3mm，有時甚至要求貼裝壓力控制在35g。

對貼裝精度及穩(wěn)定性的要求

對于球間距小到0.1mm的器件，需要怎樣的貼裝精度 才能達到較高的良率？基板的翹曲變形，阻焊膜窗口的尺寸和位置偏差，以及機器的精度等，都會影響到最終的貼 裝精度。關于基板設計和制造的情況對于貼裝的影響，我們在此不作討論，這芯片裝配工藝對貼裝設備的要求里我們只是來討論機器的貼裝精度。為了回答上面的問題，我們來建立一個簡單的假設模型：

1.假設倒裝芯片的焊凸為球形，基板上對應的焊盤為圓形，且具有相同的直徑；
2.假設無基板翹曲變形及制造缺陷方面的影響；
3.不考慮Theta和沖擊的影響；
4.在回流焊接過程中，器件具有自對中性，焊球與潤濕面50%的接觸在焊接過程中可以被“拉正”。

那么，基于以上的假設，直徑25μm的焊球如果其對應的圓形焊盤的直徑為50μm時，左右位置偏差（X軸）或 前后位置偏差（Y軸）在焊盤尺寸的50%，焊球都始終在焊盤上（圖9）。對于焊球直徑為25μm的倒裝芯片，工藝能力Cpk要達到1.33的話，要求機器的最小精度必須達到12μm@3sigma。

對照像機和影像處理技術的要求

要處理細小焊球間距的倒裝芯片的影像，需要百萬像素的數(shù)碼像機。較高像素的數(shù)碼像機有較高的放大倍率， 但是，像素越高視像區(qū)域（FOV）越小，這意味著大的器件可能需要多次“拍照”。照像機的光源一般為發(fā)光二極 管，分為側(cè)光源、前光源和軸向光源，并可以單獨控制。倒裝芯片的的成像光源采用側(cè)光、前光，或兩者結(jié)合。

那么，對于給定器件如何選擇像機呢？這主要依賴圖 像的算法。譬如，區(qū)分一個焊球需要N個像素，則區(qū)分球間 距需要2N個像素。以環(huán)球儀器的貼片機上Magellan數(shù)碼像機為例，其區(qū)分一個焊球需要4個像素，我們用來看不同的 焊球間隙所要求的最大的像素應該是多大，這便于我們根 據(jù)不同的器件來選擇相機，假設所有的影像是實際物體尺寸的75%。

倒裝芯片基準點（Fiducial）的影像處理與普通基準 點相似。倒裝芯片的貼裝往往除整板基準點外（Global fiducial）會使用局部基準點（Local fiducial），此時的基 準點會較小（0.15—1.0mm），像機的選擇參照上面的方 法。對于光源的選擇需要斟酌，一般貼片頭上的相機光源 都是紅光，在處理柔性電路板上的基準點時效果很差，甚至找不到基準點，其原因是基準點表面（銅）的顏色和基 板顏色非常接近，色差不明顯。如果使用環(huán)球儀器的藍色光源專利技術就很好的解決了此問題。

吸嘴的選擇

由于倒裝芯片基材是硅，上表面非常平整光滑，最好選擇頭部是硬質(zhì)塑料材料具多孔的ESD吸嘴。如果選擇頭部 為橡膠的吸嘴，隨著橡膠的老化，在貼片過程中可能會粘連器件，造成貼片偏移或帶走器件。

對助焊劑應用單元的要求

助焊劑應用單元是控制助焊劑浸蘸工藝的重要部分， 其工作的基本原理就是要獲得設定厚度的穩(wěn)定的助焊劑薄 膜，以便于器件各焊球蘸取的助焊劑的量一致。 要精確穩(wěn)定的控制助焊劑薄膜的厚度，同時滿足高速浸蘸的要求，該助焊劑應用單元必須滿足以下要求：

1. 可以滿足多枚器件同時浸蘸助焊劑（如同時浸蘸4或7枚）提高產(chǎn)量；
2. 助焊劑用單元應該簡單、易操作、易控制、易清潔；
3. 可以處理很廣泛的助焊劑或錫膏，適合浸蘸工藝的 助焊劑粘度范圍較寬，對于較稀和較粘的助焊劑都 要能處理，而且獲得的膜厚要均勻；
4. 蘸取工藝可以精確控制，浸蘸的工藝參數(shù)因材料的不同而會有差異，所以浸蘸過程工藝參數(shù)必須可以單獨控制，如往下的加速度、壓力、停留時間、向上的加速度等。

對供料器的要求

要滿足批量高速高良率的生產(chǎn)，供料技術也相當關鍵。倒裝芯片的包裝方式主要有這么幾種：2×2或4×4英 JEDEC盤、200mm或300mm圓片盤（Wafer）、還有 卷帶料盤（Reel）。對應的供料器有：固定式料盤供料器 (Stationary tray feeder)，自動堆疊式送料器（Automated stackable feeder），圓片供料器（Wafer feeder），以及帶式供料器。

所有這些供料技術必須具有精確高速供料的能力，對于圓片供料器還要求其能處理多種器件包裝方式，譬如： 器件包裝可以是JEDEC盤、或裸片，甚至完成芯片在機器內(nèi)完成翻轉(zhuǎn)動作。

我們來舉例說明幾種供料器. Unovis的裸晶供料器（DDF Direct Die Feeder）特點：
可用于混合電路或感應器、 多芯片模組、系統(tǒng)封裝、RFID和3D裝配
圓片盤可以豎著進料、節(jié)省空間，一臺機器可以安裝多臺DDF
芯片可以在DDF內(nèi)完成翻轉(zhuǎn)
可以安裝在多種貼片平臺上，如：環(huán)球儀器、西門子 、安必昂、富士

對板支撐及定位系統(tǒng)的要求

有些倒裝芯片是應用在柔性電路板或薄型電路板上，這時候?qū)宓钠秸畏浅ｊP鍵。解決方案往往會用到 載板和真空吸附系統(tǒng)，以形成一個平整的支撐及精確的定位系統(tǒng)，滿足以下要求：

1.基板Z方向的精確支撐控制，支撐高度編程調(diào)節(jié)；
2.提供客戶化的板支撐界面；
3.完整的真空發(fā)生器；
4.可應用非標準及標準載板。

回流焊接及填料固化后的檢查

對完成底部填充以后產(chǎn)品的檢查有非破壞性檢查和破壞性檢查，非破壞性的檢查有

利用光學顯微鏡進行外觀檢查，譬如檢查填料在器件側(cè)面爬升的情況，是否形成良好的邊緣圓角，器件表面是否有臟污等
利用X射線檢查儀檢查焊點是否短路，開路，偏移，潤濕情況，焊點內(nèi)空洞等
電氣測試（導通測試），可以測試電氣聯(lián)結(jié)是否有 問題。對于一些采用菊花鏈設計的測試板，通過通斷測試還可以確定焊點失效的位置
利用超聲波掃描顯微鏡（C-SAM）檢查底部填充后 其中是否有空洞、分層，流動是否完整

破壞性的檢查可以對焊點或底部填料進行切片，結(jié)合光學顯微鏡，金相顯微鏡或電子掃描顯微鏡和能譜分析儀 （SEM/EDX），檢查焊點的微觀結(jié)構(gòu)，例如，微裂紋/微 孔，錫結(jié)晶，金屬間化合物，焊接及潤濕情況，底部填充 是否有空洞、裂紋、分層、流動是否完整等。

完成回流焊接及底部填充工藝后的產(chǎn)品常見缺陷有： 焊點橋連/開路、焊點潤濕不良、焊點空洞/氣泡、焊點開 裂/脆裂、底部填料和芯片分層和芯片破裂等。對于底部填充是否完整，填料內(nèi)是否出現(xiàn)空洞，裂紋和分層現(xiàn)象，需 要超聲波掃描顯微鏡（C-SAM）或通過與芯片底面平行的 切片（Flat section）結(jié)合顯微鏡才能觀察到，這給檢查此 類缺陷增加了難度。

底部填充材料和芯片之間的分層往往發(fā)生在應力最大 器件的四個角落處或填料與焊點的界面，如左圖13 所示。

總結(jié)

倒裝芯片在產(chǎn)品成本，性能及滿足高密度封裝等方面 體現(xiàn)出優(yōu)勢，它的應用也漸漸成為主流。由于倒裝芯片的 尺寸小，要保證高精度高產(chǎn)量高重復性，這給我們傳統(tǒng)的 設備及工藝帶來了挑戰(zhàn)，具體表現(xiàn)在以下幾個方面：

1. 基板（硬板或軟板）的設計方面；
2．組裝及檢查設備方面；
3．制造工藝,芯片的植球工藝，PCB的制造工藝，SMT工藝；
4．材料的兼容性。

全面了解以上問題是成功進行倒裝芯片組裝工藝的基礎。

環(huán)球儀器SMT實驗室自1994年已成功開發(fā)此完整工 藝，迄今我們使用了約75種助焊劑和150種底部填充材料在 大量不同的基板上貼裝了100,000個倒裝片，進行測試和細致的失效分析，涵蓋了廣泛的參數(shù)范圍。

環(huán)球儀器對于倒裝芯片裝配的設備解決方案，兼顧了高速和高精度的特點，譬如：DDF送料器結(jié)合GI-14平臺可 以實現(xiàn)裸芯片進料高速貼裝，而AdVantis XS 平臺可以實現(xiàn)精度達9微米3西格碼的貼裝（下圖）?？梢詰眠@些解決方案實現(xiàn)倒裝芯片，系統(tǒng)封裝（高混合裝配），裸芯片裝配及內(nèi)植器件。

如果讀者對完整的倒裝芯片裝配工藝感興趣或有疑問，歡迎與本文作者聯(lián)系：liyi@uic.com。