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倒装芯片工艺向SMT组装挑战

发布时间:2018-08-13 18:08编辑:采集侠浏览(140)

    因为倒装芯片技术的使用不断增加,了解它在SMT组装中面临的诸多挑战变得至关重要。
    半导体封装和电子制造服务公司正趋向聚合,他们各自在能力和投资方面向对方*拢。在工业需求不断增长的环境下, 较多的公司正在提供"完全解决方案",因此这个聚合是意料之中的,但是这对双方都是挑战。 
      举例来说,倒装芯片、BGA、或SIP等使用先进封装技术的产品,从印制板组装发展到器件组装,那些以前看来不很重要的因素可能变得重要:互连应力不同了;材料的不兼容性增加了;工艺流程改变了。无论你是否需要为自己的新产品设计或采用倒装芯片技术,或者目前仅仅需要了解是否把倒装芯片作为你的投资目标,了解倒装芯片技术所带来的许多挑战都是非常重要的。
    倒装芯片技术 
      倒装芯片技术分多种工艺方法,每一种都有许多变化和不同应用。举例来说,根据产品技术所要求的印制板或基板的类型 - 有机的、陶瓷的或柔性的- 决定了组装材料的选择(如凸点类型、焊料、底部填充材料),并在一定程度上决定了所须的工艺设备。公司必须决定采用哪一种技术,决定哪些工艺要*外协,并决定需要哪些研究和发展资源,以便满足将来的产品要求,同时将投资和运作成本减到最少。
      在SMT环境下最通常的和最适宜实现的方法是焊料倒装芯片组装工艺,我们将更详细地予以描述。此技术有许多变种,必须全面考虑,以确保满足可制造性、可*性和成本目标。今天广泛的使用的倒装芯片技术主要由互连结构来定义。举例来说,柔顺性凸点(compliant-bump)工艺是指用导电的聚合体凸点或镀金的聚合体/人造橡胶凸点来实现的工艺。短柱凸点(Stub-bump)技术使用球键合(主要用金丝)或电镀,然后用各向同性导电的黏接剂来组装。使用各向异性的导电薄膜或糊膏时,集成电路的键合焊盘无需或只需微小改变。焊料凸点的生成技术包括蒸发、电镀、化学镀层、模板印刷、喷涂等等。
      选定的互连技术决定了必需的工艺 - 究竟是回流焊、热超声、热压、还是瞬态液相的键合工艺。每一种工艺都有它的优点和缺点, 通常是随应用来决定。然而,从整合到标准的SMT工艺的难易程度看,焊料倒装芯片组装工艺是最通用的,并且它被证明和SMT完全兼容。
      焊料倒装芯片组装 
    传统的焊料倒装芯片组装工艺流程(图 1)的主要步骤包括: 施加焊剂,放置芯片,焊料回流焊和底部填充处理。然而,为确保倒装芯片组装的成功和可*,还必须了解和实施其他的指南和要求,成功通常从设计开始。
    图1. 典型的倒装芯片组装工艺流。
      设计需要考虑的首先是焊料凸点和凸点下面的结构。其目标是将互连件和集成电路键合盘之间传送的应力减到最少。如果互连件设计得正确,正如可*性模型所预测的那样,失效将只会在焊料中发生。这可以由适当地设计集成电路键合焊盘结构来达成,包括它的钝化/聚酰亚胺开口和凸点下金相化(UBM) 结构。钝化开囗设计应该能降低电流密度、减小应力集中、改善电子迁移的寿命、以及使UBM 和焊料凸点的横截面最大化。
      凸点位置的布局是另一个设计考虑。 焊料凸点位置应该尽可能对称,除非有很清楚的定位特征(例如在一个角落上不放凸点)。布局也必须考虑下游工序的晶圆切片工艺,以确保不会发生冲突。在集成电路上有电源区的焊料凸点的放置也将受集成电路的电敏感性和性能指标所规定。当然,还有其它集成电路设计需要考虑的因素,制作晶圆凸点的公司都有特定的集成电路焊盘和布局设计的指南。必须考虑这些设计指南,才能确保生成可*的凸点,从而形成可*的互连。
      主要考虑的印制板设计因素包括金属焊盘的大小和相应的阻焊膜开囗。很重要的一点是,要使印制板焊盘位置的湿润面积达到最大,以便形成强固的联接。然而,也必须考虑到使印制板的浸润面积的大小与UBM的直径相匹配,这有助於形成对称的互连,避免互连的一端比另一端有过高的应力状况。事实上,把印制板焊盘直径设计得比 UBM 直径略小一些将会增加印制板侧的应力,而减弱比较弱的集成电路一侧的应力。
      印制板焊盘位置上的浸润面积的控制是*适当地设计阻焊膜的开囗来实现的,如图2所示。阻焊膜限定的和非阻焊膜限定的两种设计方法都可采用, 但是两者的组合可能是最可*的。使用在相应的印制板印制线上的矩形开囗,并考虑阻焊膜限定下的位置容差,可以得到适当的印制板焊盘位置设计。如果没有正确的设计,当装配好的印制板暴露于环境或机械因素的变动中时,在集成电路侧将会发生常见的焊料疲劳破裂。底部填充材料确实可以大大增加倒装芯片元件间互连的可*性,但是如果不遵守正确的设计指南, 最后将会发生同样的失效模式。
    图2. 倒装芯片组装中各种不同的阻焊膜开口设计。
    晶圆凸点的生成和晶圆切片
      焊料凸点是集成电路和印制板之间机械的、电的、有时还是热的互连件。在一个典型的倒装芯片器件中,互连件包含了UBM和焊料凸点本身,如图3所示。为了在暴露的环境中保护在下面的电路,UBM叠加在晶圆钝化区上,成为凸点的基础。 它对晶圆金属和钝化材料有着很好的粘着性,在焊料和集成电路键合焊盘金属之间起着焊料扩散层的作用,同时给焊料提供氧化阻挡层和可浸润的表面。UBM金属的适当叠加对于减小其下的集成电路焊盘上的应力非常重要。
    图3. 倒装的芯片焊料凸点和UBM 的剖面图。
      如前所述,有几种焊料凸点的工艺可以考虑。蒸发是先把阻挡层金属溅射到晶圆表面,再经过掩膜或照相制版来形成UBM,接着用蒸发Sn和Pb来形成焊料,然后经回流焊形成球形凸点。这种技术特别适用于能抗高温的陶瓷基板上的高铅凸点(相对于共晶的焊料凸点而言)。然而,在应用SMT于有机印制板时,集成电路上高铅的焊料凸点需要在印制板上使用共晶焊料来形成互连。
      低成本的凸点工艺,如电镀或模板印刷(与溅射或化学镀膜的UBM结合),已被普遍采用。这里,凸点成本比蒸发工艺低,而且在集成电路上使用共晶焊料可以省去在印制板上放置焊料的成本。其它焊料,包括无铅的、高铅的和低α相铅的,今天也在制造中使用。 
      晶圆切片通常被看作下游组装工序的第一个步骤。它把每个晶圆割离成单个的集成电路芯片。用一个转速达到 60,000 rpm的研磨钻石砂***,沿着在集成电路有效面积之间的称为"街道"的特定的切割区进行切割。通常,同时使用离子水冲洗切割区域和切片砂***,保证切割质量和延长砂***的寿命。工艺过程中,必须将割离的集成电路芯片上的切片引起的缺陷减到最小,例如,顶部碎屑可能落到芯片内的有效区域,而背侧碎屑对倒装芯片的可*性极为有害,芯片面积内的边缘裂纹,甚至背部碎屑,时常会在热应力或机械应力下传播,导致器件的早期失效。
    焊剂/贴片/回流焊
      在晶圆被切片之后, 割离的芯片仍可留在晶圆切片框架上,也可从切片框架上移到晶片盒、盘、平面带或卷盘带中。倒装芯片贴片装置必须能够操作这些具有不同外包装的带凸点的芯片。晶圆盒适于小批量生产使用,或贴放已知的好芯片(KGD)。卷盘带适用于能处理卷盘带的 SMT 贴片装置。直接送到贴片装置的切片框架的晶圆最为普通,并适合于大批量制造的需要。
      真正的倒装芯片组装程序从施加焊剂开始。有很多施加焊剂的方法,包括浸蘸、滴涂、模板印刷或喷涂,每种技术有它自己的优点和应用场合。焊剂和黏胶的浸蘸方法通常在贴片装置上使用。这个方法的优点是可以把焊剂定位到芯片的凸点上。
      为了大批量制造的一致性,必须对焊剂薄膜的高度和盘片的转速进行控制。滴涂工艺需要对滴涂体积和重复性作严格的控制。模板印刷焊剂适合于大批量制造,但是需要额外的上游设备。不管施加的方法如何,在固定倒装芯片器件的时候, 必须考虑材料特性与所用焊料之间的兼容性。
      在施加焊料之后,芯片从上述的各种外包装中被拾取出来。通常采用多头、高速、和超高精度贴片系统。为了支持半导体下游工序和 EMS组装在市场上的聚合趋势,今天的贴片装置,例如,新的Siemens SiPlace HF机器,能够在很大的印制板面积上同时提供很高的速度和精度,高精度照相机在倒装芯片与印制板的对准过程中起着关键作用。
      贴片的关键因素是正确地拾取元件、定位的精度和重复性、贴片的力度,停留的时间和生产量。倒装芯片贴片精度的要求通常大约是凸点间距的10%, 重要的是将平移和回转的偏差或它们的组合减到最小。对于各种工艺因素都必须进行详细的研究,包括芯片大小、凸点间距、凸点高度和每个芯片中凸点的数目等。每个因素都要在很大的变动范围中考察,以便能在各种条件下处理芯片。
      贴片装置上用的吸嘴类型根据芯片外包装类型、芯片大小及管脚底座(是全部阵列还是周边阵列)来选择。割离的晶圆(芯片)被取出,转成面向下并贴在印制板上。如果吸嘴的硬度和适应性是正确的,对芯片或其凸点就不会有伤害。包装在卷盘带或晶圆盒中芯片通常已经倒放,所以只要拾取、定位和贴放。
      为了防止放置好的芯片在回流焊工序之前产生移动,必须尽量减少搬动。因此, 回流焊工序通常在一条在线、多级、连续的加热炉内完成, 炉内通常采用强迫对流、IR加热或有热对流的传导等加热方法。不管哪种情况,炉内的气流和温度曲线控制,对于保证形成良好的回流焊节点是很紧要的。温度曲线的重点是液态温度以上的时间、上升斜率、峰值温度、浸透时间、浸透温度、冷却斜率和对流流量。准确地设置温度曲线 (将热电偶放置在芯片下) 对防止基板退化、焊料空洞和焊球形成都是很重要的。焊剂的兼容性、活性和均匀的热传导也十分重要。
    底部填充处理 
      在焊料回流焊工序之后,就要进行材料的底部填充,以便把芯片固定在印制板上, 从而大大地增加互连的整体性和可*性。最通常的技术是在焊料回流焊之后注入底部填充材料。然而, 在某些应用中,也可在芯片附着到印制板上之前,先注入或用模板印刷好底部填充材料,然后在焊料回流焊工序期间进行固化。
      为使底部填充工序成功,考虑的主要因素是底部填充材料的性能和相容性(适当的Tg,CTE,模量等)、注入体积、注入方式、印制板温度和底部填充的流动过程。常规的底部填充流动*毛细管引力的作用,它与芯片大小和形状、凸点式样、缝隙尺寸、底部填充材料的黏度、芯片和印制板的表面张力和底部填充材料浸润角有关。注入式样有单边/多次的和双边的,随后沿芯片周围注入形成弯月面。
      注针大小、离芯片边缘的注入距离、注针在印制板上的高度以及注入速度是必须了解并控制的工艺因素。同样,在底部填充处理期间控制印制板温度,可以促进较快的毛细管流动而避免过早的凝结。
      了解材料的流动式样、以及如何预防空洞或分层(见图4所示的C-超声扫描特征图),对确保可*的倒装芯片组装十分关键。分层无论来自芯片或基板的底部填充,都会因湿气及温度的循环环境而加速,从而导致焊料节点的高应力集中并引起早期失效。
    图4. C-SAM特征图-展现了倒装芯片器件底部的填充空洞。
      底部填充材料的固化工序可在在线的连续炉、或批处理炉中完成。控制炉中温度的均匀性、固化时间和气流条件都有利于实现底部填充材料应有的优点。
      倒装芯片的成功实现和使用,来自对诸多相关设计、工艺、设备和材料等因素的认识。必须对每个因素都给予考虑,才能满足愈来愈多新产品提出的要求,并使这个技术更加成熟。