倒裝芯片：向主流制造工藝推進(jìn)

1、倒裝晶片：向主流製造工藝推進(jìn) By Dr. Scott Joslin, James Lance, Daniel Yeaple and Douglas Hendricks 創(chuàng)新的製造與設(shè)計技術(shù)使得成百萬使用倒裝晶片裝配的尋呼機(jī)成功地製造出來。對較小外形和較多功能的低成本電子設(shè)備的需求繼續(xù)在增長。這些快速變化的市場挑戰(zhàn)著電子製造商，降低製造成本以保證可接受的利潤率。倒裝晶片裝配(flip chip assembly)被認(rèn)爲(wèi)是推進(jìn)低成本、高密度攜帶型電子設(shè)備的製造所必須的一項技術(shù)。在低成本應(yīng)用中，倒裝晶片的成功是因爲(wèi)它可達(dá)到相對于傳統(tǒng)表面貼裝元件包裝更大的成本效益。例如，一款新的尋呼機(jī)利用了倒裝晶片

2、技術(shù)將微控制器裝配於PCB，因爲(wèi)倒裝晶片使用較少的電路板空間，比傳統(tǒng)的塑膠球柵陣列(PBGA, plastic ball grid array)成本較低。材料積體電路(Integraded circuit)在這款尋呼機(jī)中的積體電路(IC, integrated circuit)是一個 5 x 5.6 mm 的微控制器，要求100個輸入/輸出(I/O)連接於PCB。將四周I/O重新分配爲(wèi)2.5排減少點數(shù)(depopulated)的球柵陣列形式來接納PCB的線/空格以及通路孔焊盤的限制。錫球(bump)佈局與間距如圖一所示。使用了電鍍共晶錫/鉛錫球，因爲(wèi)與其它的替代者比較，它的成本低得多。錫球的直

3、徑大約爲(wèi)125 µm，球下金屬(UBM, under bump metalization)爲(wèi)一個顧客要求的45µm的銅柱，如圖二。印刷電路板(PCB, printed circuit board)成本因素決定這款尋呼機(jī)的PCB的佈局。PCB是標(biāo)準(zhǔn)的FR-4，四個金屬層和一個無電鍍鎳/金表面塗層。由於增加材料成本和有限的可獲得性，所以沒有使用高密度互連(HDI, high-density interconnect)技術(shù)。無電鍍鎳/金表面塗層滿足所有産品的要求。現(xiàn)場可靠性問題排除了選擇有機(jī)可焊性保護(hù)層(OSP, organic solderability preservativ

4、e)，選擇性鎳-金的成本增加也沒有吸引性。最低成本的PCB供應(yīng)商的工藝能力限制板的密度爲(wèi)100µm線/空和0.5mm的通路孔焊盤。因此，所有通路孔(via)都是通孔(through-hole)型，避免盲孔(blind via)的成本增加。這些限制和阻焊層公差決定IC的分佈形式、錫球尺寸和裝配間距， 並定義晶片貼放要求。限制通路孔的焊盤尺寸爲(wèi)最小的0.5mm，意味著晶片(die)底下只能放13個通路孔(via)剩下的I/O不得不用100µm的線與空在基板頂面走出去。只使用定面金屬層來佈線剩下的87個I/O，這給IC的重新分佈形式定下了一個標(biāo)準(zhǔn)。100µm線與空的設(shè)計

5、要求將最終裝配間距固定在200µm(圖三)。阻焊層(soldermask)的設(shè)計與工藝限制對直接晶片安裝(DCA, direct chip attachment)的裝配過程是關(guān)鍵的。必須控制電鍍共晶錫球的熔濕(wet)，以防止回流期間焊接點的完全倒塌和斷源。阻焊層可用來限制焊錫熔濕和控制錫球塌落的程度。這個控制是通過爲(wèi)每個錫球座設(shè)計離散的阻焊層開口來完成的(圖四)。在本文所述的應(yīng)用中，工藝的限制和貼裝設(shè)備的能力使得不能使用單獨定義的錫球座。低成本PCB供應(yīng)商通常只可以維持大批量生産時的±75µm阻焊層對位精度。用 於晶片貼裝(die placement)的導(dǎo)向絲桿

6、設(shè)備的精度能力爲(wèi)±50µm。這些公差的累積要求0.375mm的阻焊層開口來保證貼裝與回流過程達(dá)到6能力。這個尺寸的開口容納阻焊層的偏移和貼裝公差，而不會將120µm直徑的錫球放到阻焊層上。最後佈局利用單個的阻焊條或“堤擋”來限制焊錫熔濕流出，並在關(guān)鍵區(qū)域防止斷源。堤擋放在流道上，直接連接于內(nèi)通孔的連線孔(via)或那些認(rèn)爲(wèi)太長的線上。要求總共11條阻焊堤擋或條來足夠地保護(hù)裝配(圖五)。這隨機(jī)放置的阻焊條提供整個晶片的連續(xù)的毛細(xì)管作用，結(jié)果得到均勻的充膠(underfill)流峰，和無空洞的密封膠。錫球(solder bump)在阻焊層可用於控制低成本、密間距應(yīng)用的

7、晶片(die)塌落之前，必須改進(jìn)材料的定位和孔的準(zhǔn)確度。阻焊堤擋可有效的防止焊錫點斷源，但不能充分地限制回流時的錫球倒塌(die collapse)。爲(wèi)了有效地控制晶片離板高度，錫球的銅UBM(錫球下的金屬)需要改進(jìn)。使用45µm的銅柱UBM可達(dá)到連續(xù)一致的工藝過程和可靠性。這個錫球結(jié)構(gòu)提供阻焊層之上43µm的間隙，容易作底部充膠。圖六顯示最後的錫球結(jié)構(gòu)和回流之後相應(yīng)的力板高度。工藝過程建立最終的設(shè)計版本和材料規(guī)格，允許製造過程得到優(yōu)化，達(dá)到最大的産量與最好的品質(zhì)。雖然與標(biāo)準(zhǔn)的表面貼裝相似，倒裝晶片要求特殊的考慮因素。在工廠實施之前的準(zhǔn)備將改進(jìn)生產(chǎn)線産量，過程合格率和産品可

8、靠性。倒裝晶片工藝包括上助焊劑(fluxing)、晶片貼裝(die placement)、回流(reflow)、底部充膠(underfill)和固化(cure)。上助焊劑(fluxing)上助焊劑(fluxing)是倒裝晶片工藝的第一步，其重要性經(jīng)常被低估了。在形成連接之前，助焊劑將晶片保持在位置上，減少氧化和加速共晶焊錫球的回流。本應(yīng)用中使用的免洗助焊劑具有高粘著性(tack)、低粘度(viscosity)、長蒸發(fā)時間、最低回流焊後殘留物、低毒性和最小氣味。在錫球回流之前晶片的移動是一個關(guān)注，因爲(wèi)200µm的裝配間距幾乎不允許有對位元錯誤。造成未對準(zhǔn)或相對移位元晶片的原因可能不同，

9、但包括：· PCB彎曲變形(warped PCB)：當(dāng)晶片(die)貼放到電路板表面時，彎曲的板可能會柔曲。已經(jīng)貼裝在板上的晶片，在剩下的晶片貼裝時，要經(jīng)受電路板的類似於崩床的運動。 · 板的傳送：在晶片(die)貼裝之後，裝配傳送到回流焊爐必須流暢。傳送帶對不準(zhǔn)或貼裝單元的升起定位機(jī)構(gòu)或傳送帶的突然加速都可能造成晶片移位元。 · 爐的情況：爐內(nèi)高速氣流將吹動晶片偏移定位。 具有高粘著性和低蒸發(fā)速率的助焊劑系統(tǒng)將減少這些材料處理的缺陷和提高更快的生産線速度。如果助焊劑在晶片貼裝或回流之前蒸發(fā)，那麼IC更可能移位。慢的蒸發(fā)保持最多的助焊劑，在回流爐的升溫和保溫區(qū)期間

10、，把晶片固定在位。理想的，助焊劑不應(yīng)該蒸發(fā)太多，直到元件達(dá)到回流溫度曲線的液化區(qū)域?？焖偾锏拇蓟竸┛赡芤缶N裝之前分階段處理。爲(wèi)了充分利用貼裝單元，上助焊劑是使用一臺專用的滴膠機(jī)在晶片貼裝之前完成的。沒有採用諸如壓印(stamping)、浸(dipping)或刷(brushing)等接觸式方法，由於産品專門的定位裝置和對污染的關(guān)注。量的控制是助焊劑滴塗的最重要方面。要求最少的量是百分之百的覆蓋錫球座/滑道(site/runner)。不完全覆蓋將造成電氣開路和裝配的報廢。增加的量超過了百分之百的要求將改善粘著性能，但可能反過來影響産品的可靠性。過多的助焊劑可能造成回流焊後的殘留物和不希

11、望的區(qū)域侵蝕。有機(jī)殘留物對底部充膠是有害的，降低系統(tǒng)的現(xiàn)場可靠性。助焊劑遷移或流動超出晶片座可能引起焊錫球(solder ball)、元件豎立(tombstoning)和PCB的離子污染(ionic contamination)。對每個産品的最後量的規(guī)定必須平衡百分之百覆蓋要求、最大粘著性能、最少助焊劑殘留物和元件偏移控制。上助焊劑不要求很高的放置精度。使用兩個全局基準(zhǔn)點作板的定位，可得到很高的可信水平。對每個貼片座的局部基準(zhǔn)點是沒有必要的，它會降低設(shè)備周期。設(shè)備購買時不能沒有視覺系統(tǒng)，但多數(shù)便利設(shè)施可以省去 - 快速簡便的産品編程和設(shè)定確認(rèn)等。晶片貼裝(die placement)晶片貼裝容

12、易實施，因爲(wèi)設(shè)備對工廠人員都很熟悉。設(shè)備具有C4倒裝晶片貼裝頭，只用於IC的貼裝。貼裝頭有四個貼裝轉(zhuǎn)軸(spindle)，維持X-Y貼裝精度爲(wèi)±200µm和最大貼裝力爲(wèi)2500g。晶片以盤帶包裝，用黑色疊爾林(Delrin)吸嘴來吸取元件。通常，貼裝壓力應(yīng)該爲(wèi)每個I/O 612g。在這種情況下，100 I/O要求6001200g之間的壓力。過大貼裝壓力有一個缺點，儘管貼裝頭/視覺系統(tǒng)掃描後已經(jīng)作了糾正，貼裝壓力可能産生元件偏移。還有，如果託盤的剛性不夠，或者板的支撐不正確，貼裝時板可能會向下彎曲。元件的視覺識別路線設(shè)定是，沿晶片周圍識別48個錫球(bump)，和中間附近一個

13、定向錫球。錫球的數(shù)量經(jīng)過優(yōu)化達(dá)到最高的貼裝精度和最大的機(jī)器産量。增加錫球數(shù)量大大地延長處理時間，而貼裝精度保持不變。一個解析度爲(wèi)每個象素1.3mil的相機(jī)用來抓拍晶片的圖像。通過二級光強度的側(cè)光，得到足夠的對比度。貼裝單元也配備一個每個象素0.5mil的可選相機(jī)，但要求抓拍兩個晶片圖像。用三個全局基準(zhǔn)點來決定PCB和貼裝座的位置?；鶞?zhǔn)點應(yīng)該是金屬作的，以保證錫球的貼放是相對於倒裝晶片的焊盤，而不是阻焊層。貼裝之後、回流之前板的所有運動和傳送必須平滑，不能影響元件的定位。如果元件的移位元是來自貼裝單元，那麼機(jī)器傳送帶、升起定位和Z-軸的加速度和速度的設(shè)定可能需要降低。在高速運作期間，也必須使用適

14、當(dāng)?shù)陌逯?，以減少PCB撓曲。撓曲或反回可能引起前面貼裝的晶片移出焊盤，特別是如果在表面貼裝之前陣列(array)翹曲?；亓?Reflow)在貼裝工藝之後，裝配通過一個空氣對流爐，來回流共晶焊錫球，形成電氣連接。爐設(shè)定按標(biāo)準(zhǔn)的表面貼裝溫度曲線。氮氣流速提供良好的熱傳導(dǎo)，限制氧氣污染。爐的進(jìn)口處過大的氮氣流速可能引起晶片偏移出焊盤，因此引發(fā)缺陷。如果這個偏移變成一個長期的問題，可增加分流板來防止氣流直接衝擊晶片。開始的溫度斜率不應(yīng)該超過每秒1.52.0°C。高的預(yù)熱速率迅速蒸發(fā)助焊劑，引起回流焊接之前晶片偏移，甚至翻轉(zhuǎn)。每個産品都必須作溫度曲線，以保證滿足適當(dāng)?shù)幕亓鳁l件。在生產(chǎn)線預(yù)防性

15、維護(hù)或板有任何改動之後，應(yīng)該再作溫度曲線。表面上不重要的修改，如改變地線層的尺寸或位置，可影響熱傳遞速率和倒裝晶片的回流。氮氣流速使用安裝在爐前的流量計來監(jiān)測。氧氣水平可用也是安裝在爐前的探測器來檢查。先進(jìn)先出(FIFO, first-in, first-out)的緩衝器應(yīng)該安裝在回流爐的立即出口，在底部充膠單元之前。這個預(yù)防措施將收在集流水線關(guān)閉期間正在回流爐內(nèi)的任何電路板。底部充膠(Underfill)底部充膠對倒裝晶片裝配的長期可靠性是必須的。膠減少焊接點的應(yīng)力，將應(yīng)力均勻地分散在倒裝晶片的介面上。每個充膠系統(tǒng)的可靠性可能差別很大，決定於倒裝晶片裝配的結(jié)構(gòu)；因素包括離板間隙(stando

16、ff)高度、晶片鈍化、阻焊劑供應(yīng)商和PCB材料。所希望的製造特性包括快速的流動速率、快速固化、長的儲存穩(wěn)定性和容易使用到倒裝晶片座。爲(wèi)了達(dá)到成功，充膠的附著、顆粒尺寸分佈和填充量必須修整，以滿足製造和可靠性要求。多數(shù)充膠材料是基於環(huán)氧樹脂的系統(tǒng)，充入5070%重量的矽來協(xié)調(diào)穩(wěn)定膨脹係數(shù)(CTE, coefficient of thermal expansion)。所有元素預(yù)先混合包裝在注射器內(nèi)，適於所希望的速率和材料儲存壽命。注射器大小應(yīng)該限制操作員的干涉時間爲(wèi)每四到八個小時，因此減少停線期間的材料浪費，但又不太影響産量。充膠材料儲存在-40°C的冷凍機(jī)內(nèi)，在裝上滴膠機(jī)之前，解凍至少

17、30分鐘。解凍到一個穩(wěn)定的穩(wěn)定狀態(tài)，防止不利的粘度變化，它會引起充膠量的變化。充膠的製造儲存壽命應(yīng)該至少四小時。在這個時間內(nèi)，滴膠機(jī)應(yīng)該展示連續(xù)的膠流、無針嘴滴漏(dripping/drool)和良好的滴膠點尾的斷開。超過材料儲存壽命可能造成充膠不完整和低劣的附著。用旋轉(zhuǎn)式膠泵將膠填充到基板。這個閥是堅固的，易於清潔，並可在膠劑壽命內(nèi)滴出連續(xù)一致的膠量?；鍦囟仁遣皇芸刂频?，其變化決定於經(jīng)過回流爐之後所持續(xù)的時間。膠劑是以充膠到晶片所有四條邊的形式滴注的。這種形式提供良好的圓角成型，並且比曾經(jīng)評估過的單線或L形滴膠更快速。在滴膠之前，用設(shè)備的視覺程式來定位IC的每條邊，減少滴膠嘴由於移位元的晶

18、片而被彎曲的機(jī)會。損壞的滴膠嘴將不會正確地滴膠，在發(fā)覺之前可能引起無數(shù)的缺陷。柔性的滴膠嘴是個可接受的替代者，如果視覺要求反過來影響設(shè)備的産量。柔性的滴膠嘴在受衝擊時會彎曲，但是如果滴膠嘴變形，滴膠精度可能受影響。晶片周圍 12mm 的元件非入?yún)^(qū)是所希望的，但並不一定總是可行的，因爲(wèi)設(shè)計的局限。在本文所述的情況中，有熱封裝配、一個開關(guān)和幾個離散元件處在非入?yún)^(qū)的裏面或附近。滴在或流入熱封元件和開關(guān)區(qū)域的膠可能毀壞整個PCB。密封的離散元件不會負(fù)面影響射頻性能，但將抑制晶片下的膠流。這些元件也將在固化後永久地綁接在位置上，可能使得豎立的電容無法修理。1216mg的底部充膠提供必要的覆蓋並限制污染。固化(cure)底部充膠的裝配通過一個固化爐，使膠劑聚合。臥式、立式和微波爐都可使用，決定于應(yīng)用和固化時間的要求：· 臥式固化爐，成本低、到處都可找到、可靠、也提供作爲(wèi)回流焊爐的雙重功能。立式與微波爐通常是專門的固化爐，不能用於回流。 · 立式爐具有高容量，占地面積小，但複雜性增加可能導(dǎo)致可靠性和維護(hù)等問題。 · 微波爐提供快速的批量處理，但大大增加固定資産成本。從産品到産品來作爐的溫度曲線也變得更困難。 515 分鐘的充膠固化時間允許標(biāo)準(zhǔn)的臥式回流焊