FC装配技术最全资料
器件的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 技术的出现更加模糊了一级封装与二级装配之间的界线。毋庸置疑，随着小型化高密度封装的出现，对高速与高精度装 配的要求变得更加关键，相关的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具有更小的外形尺寸、更小的球径和球间距、它对植球工艺、基板技术、材料的兼容性、制造工艺，以及检查设备和方法提出了前所未有的挑战。
倒装芯片的发展历史
倒装芯片的定义
什么器件被称为倒装芯片？一般来说，这类器件具备 以下特点：
1.基材是硅；
2.电气面及焊凸在器件下表面；
3.球间距一般为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，倒装芯片之所以被称为“倒装”，是相对于传统的金属线键合连接方式（Wire Bonding）与植球后的工艺而言的。传统的通过金属线键合与基板连接的芯片电气面朝 上（图1），而倒装芯片的电气面朝下（图2），相当于将 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
倒装芯片的历史及其应用
倒装芯片在1964年开始出现，1969年由IBM发明了倒 装芯片的C4工艺（Controlled Collapse Chip Connection， 可控坍塌芯片联接）。过去只是比较少量的特殊应用，近 几年倒装芯片已经成为高性能封装的互连方法，它的应用 得到比较广泛快速的发展。目前倒装芯片主要应用在Wi- Fi、SiP、MCM、图像传感器、微处理器、硬盘驱动器、医用传感器，以及RFID等方面（图5）。
图4 
图5
与此同时，它已经成为小型I/O应用有效的互连解决方案。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的应用的首选方法。从整体上看，其在低端应用和高端应用中的采用，根 据TechSearch International Inc对市场容量的预计，焊球凸点倒装芯片的年复合增长率（CAGR）将达到31%。
倒装芯片应用的直接驱动力来自于其优良的电气性能，以及市场对终端产品尺寸和成本的要求。在功率及电 信号的分配，降低信号噪音方面表现出色，同时又能满足高密度封装或装配的要求。可以预见，其应用会越来越广泛。
倒装芯片的组装工艺流程
一般的混合组装工艺流程
在半导体后端组装工厂中，现在有两种模块组装方法。在两次回流焊工艺中，先在单独的SMT生产线上组装SMT器件，该生产线由丝网印刷机、贴片机和第一个回 流焊炉组成。然后再通过第二条生产线处理部分组装的模块，该生产线由倒装芯片贴片机和回流焊炉组成。底部填 充工艺在专用底部填充生产线中完成，或与倒装芯片生产线结合完成。
图6
倒装芯片的装配工艺流程介绍
相对于其它的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。因为助焊剂残留物（对可靠性的影响）及桥连的 危险，将倒装芯片贴装于锡膏上不是一种可采用的装配方法。业内推出了无需清洁的助焊剂，芯片浸蘸助焊剂工艺成为广泛使用的助焊技术。目前主要的替代方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 定量的助焊剂，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的作用，回流过程中起到润湿焊接表面增强可焊性的作用。
倒装芯片焊接完成后，需要在器件底部和基板之间填充一种胶（一般为环氧树酯材料）。底部填充分为于“毛细流动原理”的流动性和非流动性（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。另外一种工艺是 利用各向异性导电胶（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，同时对器件加热，使导电胶固化。该工艺要求贴片机具有非常高的精度，同时贴片头具有大压力及加热功能。 对于非C4器件（其焊凸材料为Au或其它）的装配，趋向采用此工艺。这里，我们主要讨论C4工艺，下表列出的是倒装芯片植球（Bumping）和在基板上连接的几种方式。
倒装倒装芯片几何尺寸可以用一个“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）。要获得满意的装配良率，给贴装设备及其工艺带来了挑战，随着焊球直径的缩小，贴装精度要求越来越高，目前12μm甚至10μm的精度越来越常见。贴片设备照像机图形处理能力也十分关键，小的球径小的球间距需要更高像素的像机来处理。
随着时间推移，高性能芯片的尺寸不断增大，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须。
图7
图8 
表1
对贴装压力控制的要求
考虑到倒装芯片基材是比较脆的硅，若在取料、助焊剂浸蘸过程中施以较大的压力容易将其压裂，同时细小的焊凸在此过程中也容易压变形，所以尽量使用比较低的贴装压力。一般要求在150g左右。对于超薄形芯片，如0.3mm，有时甚至要求贴装压力控制在35g。
对贴装精度及稳定性的要求
对于球间距小到0.1mm的器件，需要怎样的贴装精度才能达到较高的良率？基板的翘曲变形，阻焊膜窗口的尺寸和位置偏差，以及机器的精度等，都会影响到最终的贴装精度。关于基板设计和制造的情况对于贴装的影响，我们在此不作讨论，这里我们只是来讨论机器的贴装精度。
芯片装配工艺对贴装设备的要求
为了回答上面的问题，我们来建立一个简单的假设模型：
1.假设倒装芯片的焊凸为球形，基板上对应的焊盘为圆形，且具有相同的直径；
2.假设无基板翘曲变形及制造缺陷方面的影响；
3.不考虑Theta和冲击的影响；
4.在回流焊接过程中，器件具有自对中性，焊球与润湿面50%的接触在焊接过程中可以被“拉正”。
那么，基于以上的假设，直径25μm的焊球如果其对应的圆形焊盘的直径为50μm时，左右位置偏差（X轴）或 前后位置偏差（Y轴）在焊盘尺寸的50%，焊球都始终在焊盘上（图9）。对于焊球直径为25μm的倒装芯片，工艺能力Cpk要达到1.33的话，要求机器的最小精度必须达到12μm@3sigma。
图9
对照像机和影像处理技术的要求
要处理细小焊球间距的倒装芯片的影像，需要百万像素的数码像机。较高像素的数码像机有较高的放大倍率， 但是，像素越高视像区域（FOV）越小，这意味着大的器件可能需要多次“拍照”。照像机的光源一般为发光二极 管，分为侧光源、前光源和轴向光源，并可以单独控制。倒装芯片的的成像光源采用侧光、前光，或两者结合。
那么，对于给定器件如何选择像机呢？这主要依赖图 像的算法。譬如，区分一个焊球需要N个像素，则区分球间 距需要2N个像素。以环球仪器的贴片机上Magellan数码像机为例，其区分一个焊球需要4个像素，我们用来看不同的 焊球间隙所要求的最大的像素应该是多大，这便于我们根 据不同的器件来选择相机，假设所有的影像是实际物体尺寸的75%。
表2
倒装芯片基准点（Fiducial）的影像处理与普通基准 点相似。倒装芯片的贴装往往除整板基准点外（Global fiducial）会使用局部基准点（Local fiducial），此时的基 准点会较小（0.15—1.0mm），像机的选择参照上面的方 法。对于光源的选择需要斟酌，一般贴片头上的相机光源 都是红光，在处理柔性电路板上的基准点时效果很差，甚至找不到基准点，其原因是基准点表面（铜）的颜色和基 板颜色非常接近，色差不明显。如果使用环球仪器的蓝色光源专利技术就很好的解决了此问题。
图10
吸嘴的选择
由于倒装芯片基材是硅，上表面非常平整光滑，最好选择头部是硬质塑料材料具多孔的ESD吸嘴。如果选择头部 为橡胶的吸嘴，随着橡胶的老化，在贴片过程中可能会粘连器件，造成贴片偏移或带走器件。
回流焊接及填料固化后的检查
对完成底部填充以后产品的检查有非破坏性检查和破坏性检查，非破坏性的检查有：
·利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的情况，是否形成良好的边缘圆角，器件表面是否有脏污等
·利用X射线检查仪检查焊点是否短路，开路，偏移，润湿情况，焊点内空洞等
·电气测试（导通测试），可以测试电气联结是否有 问题。对于一些采用菊花链设计的测试板，通过通断测试还可以确定焊点失效的位置
·利用超声波扫描显微镜（C-SAM）检查底部填充后 其中是否有空洞、分层，流动是否完整
破坏性的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），检查焊点的微观结构，例如，微裂纹/微孔，锡结晶，金属间化合物，焊接及润湿情况，底部填充 是否有空洞、裂纹、分层、流动是否完整等。
完成回流焊接及底部填充工艺后的产品常见缺陷有：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。对于底部填充是否完整，填料内是否出现空洞，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的 切片（Flat section）结合显微镜才能观察到，这给检查此 类缺陷增加了难度。
底部填充材料和芯片之间的分层往往发生在应力最大 器件的四个角落处或填料与焊点的界面，如图13所示。
图13
总结
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，它的应用也渐渐成为主流。由于倒装芯片的尺寸小，要保证高精度高产量高重复性，这给我们传统的设备及工艺带来了挑战，具体表现在以下几个方面：
1.基板（硬板或软板）的设计方面；
2.组装及检查设备方面；
3.制造工艺,芯片的植球工艺，PCB的制造工艺，SMT工艺；
4.材料的兼容性。
全面了解以上问题是成功进行倒装芯片组装工艺的基础。
环球仪器SMT实验室自1994年已成功开发此完整工艺，迄今我们使用了约75种助焊剂和150种底部填充材料在大量不同的基板上贴装了100,000个倒装片，进行测试和细致的失效分析，涵盖了广泛的参数范围。
环球仪器对于倒装芯片装配的设备解决方案，兼顾了高速和高精度的特点，譬如：DDF送料器结合GI-14平台可以实现裸芯片进料高速贴装，而AdVantis XS平台可以实现精度达9微米3西格码的贴装(见下表)。可以应用这些解决方案实现倒装芯片，系统封装（高混合装配），裸芯片装配及内植器件。
表3