芯片-制造倒装焊工艺与设备解决方案

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1、倒装键合（倒装键合（Flip ChipFlip Chip）工艺及设备解决方案）工艺及设备解决方案 前言前言：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。 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

2、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。 一一 倒装芯片焊接的概念倒装芯片焊接的概念 倒装芯片焊接（Flip-chip Bonding）技术是一种新兴的微电子封 装技术，它将工作面（有源区面）上制有凸点电极的芯片朝下，与基 板布线层直接键合。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

3、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 入贴片机以便于贴装，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）

4、。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 4）。 图 4 二二 倒装芯片焊接的特点倒装芯片焊接的特点 与传统的引线键合技术（Wire Bonding）相比,倒装芯片焊接技 术键合焊区的凸点电极不仅仅沿芯片四周边缘分布，而是可以通过再 布线实现面阵分布。因而倒装芯片焊接技术具有如下优点： （1） 尺寸小、薄，重量更轻； （2） 密度更高，使用倒装焊技术能增加单位面积内的 I/O 数 量； （3） 性能提

5、高，短的互连减小了电感、电阻以及电容，信号完 整性、频率特性更好； （4） 散热能力提高，倒装芯片没有塑封体，芯片背面可用散热 片等进行有效的冷却，使电路的可靠性得到提高； （5）倒装凸点等制备基本以圆片、芯片为单位，较单根引线为 单位的引线键合互连来讲，生产效率高，降低了批量封装的成本。 三三 倒装芯片焊接的工艺流程倒装芯片焊接的工艺流程 倒装芯片焊接的一般工艺流程为 （1） 芯片上凸点制作; （2） 拾取芯片; （3） 印刷焊膏或导电胶; （4） 倒装焊接（贴放芯片）; （5） 再流焊或热固化(或紫外固化); （6） 下填充。如图五。 图 5 倒装芯片焊接混合工艺流程 四四 倒装芯片焊接的

6、关键技术倒装芯片焊接的关键技术 芯片上制作凸点和芯片倒装焊工艺是推广倒装芯片焊接的技术关 键。 （1） 凸点制作 凸点制作工艺很多,如蒸发/溅射法、焊膏印刷-回流法、化镀 法、电镀法、钉头法、置球凸点法（SB2-Jet）等。各种凸点制作工 艺各有其特点，关键是要保证凸点的一致性。特别是随着芯片引脚数 的增多以及对芯片尺寸缩小要求的提高，凸点尺寸及其间距越来越 小，制作凸点时又不能损伤脆弱的芯片。 现在主流应用的凸点制作方法是印刷/转写搭载回流法。该 方法是通过网板印刷或针转写的方式把助焊剂涂到芯片表面后，通过 搭载头把锡球放置到涂有助焊剂得焊点上，再进入回转炉固化。 （2） 倒装焊 倒装技术主

7、要有熔焊、热压焊、超声焊、胶粘连接等。现在应用 较多的有热压焊和超声焊。 热压焊接工艺要求在把芯片贴放到基板上时，同时加压加热。该 方法的优点是工艺简单，工艺温度低，无需使用焊剂，可以实现细间 距连接；缺点是热压压力较大，仅适用于刚性基底(如氧化铝或硅)， 基板必须保证高的平整度，热压头也要有高的平行度。为避免半导体 材料受到不必要的损害，设备施加压力要有精确的梯度控制能力。 （注：上海微松的设备针对此科目，有可编程控制的梯度设计能力） 超声热压焊是将超声波应用在热压连接中，使焊接过程更加快 速。超声波的引入使连接材料迅速软化，易于实现塑性变形。热超声 的优点是可以降低连接温度，缩短加工处理的

8、时间。缺点是可能在硅 片上形成小的凹坑，主要是由于超声震动过强造成的。该方法主要适 用于金凸点、镀金焊盘的组合。 五五 上海微松上海微松公司公司提供的倒封装提供的倒封装相关相关设备设备 ( (一一) ) 全自动全自动/ /半自动植球机半自动植球机（Ball Ball AttachmentAttachment） 以半自动为例，针对手动上料的基板，用图像处理系统进行定 位，用针转写的方式涂助焊剂，然后把球搭载在基板的相应位置。 （1）手动把基板放到基板放料台上。基板用真空吸着固定后， 图像处理系统的镜头移动，对基板的位置进行认识。 （2）根据图像处理系统的认识数据进行助焊剂的转写。 （3）通过供球

9、转动机构，将球均匀地放置在预埋治具单元上， 搭载头到预埋治具单元中采用真空方式吸取球。 （4） 对吸着后是否多球、少球进行检查。 （5） 根据图像处理系统的认识数据进行位置补正，植球。通过 精确控制的压力和位置以及加振动作，保证球准确安定的搭载到基板 上。 （6）植球结束，通知操作人员手动取下基板。 主要技术规格： 指标名称指标名称 指标指标 基板尺寸 30-100W150-300L（mm） 基板厚度 0.1-5.0（mm） 最小端子间距 0.5(mm) 最大植球区域 80W260L（mm） 一次植球数量 40000 个 锡球直径 0.2mm-1.0mm 良率 大于 99.9% 植球精度 0.

10、025（mm） ( (二二) ) 半自动倒装焊机（半自动倒装焊机（FlipFlip- -C Chihip p BonderBonder） 半自动型低成本倒装焊机，通过人眼把搭载平台上放置的基板的 标志点与搭载头吸着的芯片的标志点对齐后，通过热压着的方式键 合。 把基板放置到搭载平台上 把芯片放置到上料平台上 搭载头吸着 目视对位 显示芯片图像 加热压焊 特点： 1. 在同一画面上对位芯片和基板的位置、用手动方式实现了极高 的 Bonding 位置搭载精度。 最高可实现 1m 的对位精度。 2. Bonding 过程的参数数据可以通过图形显示并存储在 PLC 中待 离线编辑处理。可实现可编程阶梯

11、式力控制。 3. 根据需要交换 TOOL、可以实现 BGA/CSP/SIP/MCM 等的各种封 装。 主要技术规格： 基板尺寸 ： 最大 55mm CHIP 尺寸 ： 最大 轴驱动源 ： 手动 轴驱动 ： AC 伺服电机滚珠丝杠 搭载精度 ： 3m 以下 (搭载精度与治具精度有关) HEAD 加热方式 ： 陶瓷加热器加热，最大 400 度。 STAGE 加热方式 ： 不间断电加热器加热 加压力 ： 最大N 六 倒装芯片倒装芯片的的PCBPCB贴装贴装技术技术 倒装芯片已经成为小型 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 应用，倒装芯片被视为各种针脚数量低的应用的 首选

12、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。 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

13、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“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、S

14、nCu 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。 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 贴装技术的两个要点： （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。 （2） 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。