倒装芯片工艺挑战SMT组装

倒装芯片工艺挑战SMT组装

原作者：不详

　　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的体积越来越小，工作速度越来越快，智能化程度越来越高。这些日新月异的变化为电子封装与组装技术带来了许多挑战和机遇。材料、设备性能与工艺控制能力的改进使越来越多的EMS公司可以跳过标准的表面安装技术(SMT)直接进入先进的组装技术领域，包括倒装芯片等。由于越来越多的产品设计需要不断减小体积，提高工作速度，增加功能，因此可以预计，倒装芯片技术的应用范围将不断扩大，最终会取代SMT当前的地位，成为一种标准的封装技术。

　　多年以来，半导体封装公司与EMS公司一直在携手合作，在发挥各自特长的同时又参与对方领域的技术业务，力争使自己的技术能力更加完善和全面。在半导体工业需求日益增加的环境下，越来越多的公司开始提供"完整的解决方案"。这种趋同性是人们所期望看到的，但同时双方都会面临一定的挑战。

　　例如，以倒装芯片BGA或系统封装模块为例，随着采用先进技术制造而成的产品的类型由板组装方式向元件组装方式的转变，以往似乎不太重要的诸多因素都将发挥至关重要的作用。互连应力不同了，材料的不兼容性增加了，工艺流程也不一样了。不论你的新产品类型是否需要倒装芯片技术，不论你是否认为采用倒装芯片的时间合适与否，理解倒装芯片技术所存在的诸多挑战都是十分重要的。

　　2 倒装芯片技术
　　"倒装芯片技术"，这一名词包括许多不同的方法。每一种方法都有许多不同之处，且应用也有所不同。例如，就电路板或基板类型的选择而言，无论它是有机材料、陶瓷材料还是柔性材料，都决定着组装材料(凸点类型、焊剂、底部填充材料等)的选择，而且在一定程度上还决定着所需设备的选择。在目前的情况下，每个公司都必须决定采用哪一种技术，选购哪一类工艺部件，为满足未来产品的需要进行哪一些研究与开发，同时还需要考虑如何将资本投资和运作成本降至最低额。

　　在SMT环境中最常用、最合适的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、可靠性并达到成本目标也应考虑到该技术的许多变化。目前广泛采用的倒装芯片方法主要是根据互连结构而确定的。如，柔顺凸点技术的实现要采用镀金的导电聚合物或聚合物／弹性体凸点。

　　焊柱凸点技术的实现要采用焊球键合(主要采用金线)或电镀技术，然后用导电的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。焊膏凸点技术包括蒸发、电镀、化学镀、模版印刷、喷注等。因此，互连的选择就决定了所需的键合技术。通常，可选择的键合技术主要包括：再流键合、热超声键合、热压键合和瞬态液相键合等。

　　上述各种技术都有利也有弊，通常都受应用而驱动。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的，且已证明完全适合SMT。

　　3 焊膏倒装芯片组装技术
　　传统的焊膏倒装芯片组装工艺流程包括：涂焊剂、布芯片、焊膏再流与底部填充等。但为了桷保成功而可靠的倒装芯片组装还必须注意其它事项。通常，成功始于设计。

　　首要的设计考虑包括焊料凸点和下凸点结构，其目的是将互连和IC键合点上的应力降至最低。如果互连设计适当的话，已知的可靠性模型可预测出焊膏上将要出现的问题。对IC键合点结构、钝化、聚酰亚胺开口以及下凸点治金(UBM)结构进行合理的设计即可实现这一目的。钝化开口的设计必须达到下列目的：降低电流密度；减小集中应力的面积；提高电迁移的寿命；最大限度地增大UBM和焊料凸点的断面面积。

　　凸点位置布局是另一项设计考虑，焊料凸点的位置尽可能的对称，识别定向特征(去掉一个边角凸点)是个例外。布局设计还必须考虑顺流切片操作不会受到任何干扰。在IC的有源区上布置焊料凸点还取决于IC电路的电性能和灵敏度。除此之外，还有其它的IC设计考虑，但晶片凸点制作公司拥有专门的IC焊点与布局设计准则来保证凸点的可靠性，从而可确保互连的可靠性。

　　主要的板设计考虑包括金属焊点的尺寸与相关的焊料掩模开口。首先，必须最大限度地增加板焊点位置的润湿面积以形成较强的结合点。但必须注意板上润湿面积的大小应与UBM的直径相匹配。这有助于形成对称的互连，并可避免互连一端的应力高于另一端，即应力不均衡问题。实际上，设计时，通常会采用使板的焊点直径略大于UBM直径的方法，目的是将接合应力集中在电路板一端，而不是较弱的IC上。对焊膏掩模开口进行适当的设计可以控制板焊点位置上的润湿面积。

　　既可采用焊膏掩模设计也可采用无焊膏掩模设计，但将这两种方法结合起来的设计是最可靠的设计手段。在相关的电路板图形上使用矩形开口并将焊膏掩模的清晰度也考虑在内即可设计出恰当的板焊点位置。如果设计不合理，一旦组装环境发生变化或机械因数有所改变，IC就会出现焊膏疲劳断裂。采用底部填料的方法的确能够极大地提高倒装芯片元件互连的可靠性，但如果不严格遵循设计准则的话还是不可避免地会产生同样的失效机理。

　　4 晶片的凸点制作／切片

　　焊料凸点的作用是充当IC与电路板之间的机械互连、电互连、有时还起到热互连的作用。在典型的倒装芯片器件中，互连由UBM和焊料凸点本身构成。UBM搭接在晶片钝化层上，以保护电路不受外部环境的影响。实际上，UBM充当着凸点的基底。它具有极佳的与晶片金属和钝化材料的粘接性能，充当着焊膏与IC键合金属之间的焊膏扩散层，同时还为焊膏提供氧化势垒润湿表面。UBM叠层对降低IC焊点下方的应力具有十分重要的作用。

　　如前所述，焊料凸点制作技术的种类很多。采用蒸发的方法需要在晶片表面上溅射势垒金属(采用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。在随后的工艺中对Sn和Pb焊料进行再流，形成球形凸点。这一技术非常适用于采用耐高温陶瓷基板的含铅量较高的凸点(相对易熔焊料凸点而言)。但对有机电路板上的SMT应用而言，IC上的高铅焊料凸点还需要采用易熔焊料来形成互连。

　　低成本的凸点制作技术，如电镀或模版印刷(与溅射或化学镀UBM相结合)都是目前常用的制作工艺。这些工艺的凸点制作成本要比蒸发低一些，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的那步工艺及其费用。目前生产的其它焊料合金包括无铅焊料、高铅焊料和低α焊料等。

　　对电镀凸点工艺而言，UBM材料要溅射在整个晶片的表面上，然后淀积光刻胶，并用光刻的方法在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的开口中。其后将光刻胶剥离，并对曝光的UBM材料进行刻蚀，对晶片进行再流，形成最终的凸点。另一种常用的方法是将焊料模版印刷到带图形的UBM(溅射或电镀)上，然后再流。
控制凸点的最终高度具有十分重要的作用。它可以保证较高的组装成品率。用于监测凸点制作工艺的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或下面的IC焊点造成这样的结果。

　　晶片切割常常被看作是后端组装中的第一步。磨蚀金刚石刀片以60,000rpm的转速进行切片。切割中要使用去离子水以提高切割的质量并延长刀片的寿命。目前，降低单个IC上的屑片缺陷是一项十分紧迫的任务。因为顶部的屑片有可能接近芯片的有源区，背面的屑片对倒装芯片的可靠性极其不利。边缘的断裂，甚至是芯片区内的背面芯片在热应力和机械应力的作用下常会扩展，导致器件的早期失效。

　　5 焊剂／拾装／再流

　　完成晶片切割后，可将切分好的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或带与轴封装中。倒装芯片布局设备必须具有处理带凸点的芯片的能力。华夫饼容器适应于小批量需求，或用于免测芯片；带与轴适用于SMT贴装设备；送至贴装设备的晶片较为普遍，且最适合大批量制造应用。

　　实际的倒装芯片组装工艺由分配焊剂开始。分配焊剂的方法有多种，包括浸液、挤涂分配、模版印刷、或喷涂等。每一种方法都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。这种方法具备将焊剂固定到芯片凸点上的优点。

　　控制焊剂膜的高度和盘的旋转速度对批量生产的可重复性十分必要。焊剂分配工艺必须精确控制焊剂的分配量与可重复性。模版印刷焊剂适用于大批量制造，但对逆流设备的要求较高。不管采用哪一种方法，在粘贴倒装芯片器件时都必须考虑材料的特性和所用焊剂的兼容性。

　　完成焊剂分配工艺后就可以采用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与EMS组装市场的结合，目前的拾装设备，如西门子SiPlaceHF新型设备都具有较高的速度与精度。倒装芯片与电路板对准由高精度摄像机完成。

　　拾装工艺的关键参数包括元件的适当拾取、定位精度与可靠性、贴装的力度大小、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的10％左右，以最大限度地减小平移偏移和旋转偏移。许多公司已在不同板条件下对各种工艺参数进行了广泛的研究和探讨，包括芯片尺寸、凸点节距、凸点高度和每个芯片上的凸点数量等。

　　拾装设备上所用的喷嘴类型是根据芯片尺寸与／或凸点引脚(全阵列与环形阵列)等因素而决定的。将分好的晶片中的芯片拾取，面朝下放好，贴到电路板上。如果喷嘴的硬度和一致性都正常的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。

　　为了避免已装置好的芯片在再流工艺前发生移动，操作时应倍加小心。因此，再流工艺通常在直排的多级连续炉中采用对流、红外加热、或传导加热(强热对流)进行。在任何一种情况下都必须严格控制炉内气氛和温度分布，以确保可靠的再流焊点。主要的影响参数包括液化、峰值温度、斜坡速率、吸收时间、吸收温度、冷却速率与对流速率等。精确的分布(即，在芯片下放置热电偶)具有十分重要的作用，因为这样可以防止基板退化、焊膏不足和焊膏起球等现象。此外，焊剂的一致性、焊剂的活化以及均匀的热传递都是十分关键的参数。

　　6 底部填充

　　焊膏再流工艺之后要使用底部填料以实现芯片与电路板的耦合，从而极大地提高互连的完整性与可靠性。最常用的技术就是在焊膏再流之后分配底部填料。但有一些应用也采用芯片粘贴之前分配不流动的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须考虑一些重要的参数，如底部填充材料的特性与兼容性(适当地Tg、CTE和模件等)、分配量、分配形式、板的温度与底部填充流动的机理等。利用毛细作用的传统的底部填充流动主要取决于芯片的尺寸和外形、凸点的式样、间隔大小、填充材料的黏度、芯片与板的表面张力、以及填充材料的润湿角等。

　　针的尺寸、离芯片边缘的分配距离、针距板的高度和分配的速度也是必须了解并加以控制的重要参数。此外，在填充工艺期间控制板的温度可以提高毛细管的流动，同时还可避免先期凝胶。

　　要确保高可靠的倒装芯片组装就必须充分了解材料的流动特性，避免气孔或分层(采用C模式扫描声学显微镜可以看出)。湿气与／或温度循环会引起填充材料与芯片或基板的分层，而一旦产生分层就有可能造成高应力集中，并导致焊点的预先失效。

　　底部填充材料的固化工艺可在连续直排炉或间歇炉中完成。控制温度的一致性、固化时间、以及炉内的气氛条件，充分实现底部填料所具有的优点是十分重要的。

　　倒装芯片的成功实现与使用包含诸多设计、工艺、设备与材料因素。只有对每一个因素都加以认真考虑和对待才能够促进工艺和技术的不断完善和进步，才能满足应用领域对倒装芯片技术产品不断增长的需要。