1 引言
20世紀90年代以來(lái)，移動(dòng)電話(huà)、個(gè)人數字助手(PDA)、數碼相機等消費類(lèi)電子產(chǎn)品的體積越來(lái)越小，工作速度越來(lái)越快，智能化程度越來(lái)越高。這些日新月異的變化為電子封裝與組裝技術(shù)帶來(lái)了許多挑戰和機遇。材料、設備性能與工藝控制能力的改進(jìn)使越來(lái)越多的EMS公司可以跳過(guò)標準的表面安裝技術(shù)(SMT)直接進(jìn)入先進(jìn)的組裝技術(shù)領(lǐng)域，包括倒裝芯片等。由于越來(lái)越多的產(chǎn)品設計需要不斷減小體積，提高工作速度，增加功能，因此可以預計，倒裝芯片技術(shù)的應用范圍將不斷擴大，最終會(huì )取代SMT當前的地位，成為一種標準的封裝技術(shù)。
多年以來(lái)，半導體封裝公司與EMS公司一直在攜手合作，在發(fā)揮各自特長(cháng)的同時(shí)又參與對方領(lǐng)域的技術(shù)業(yè)務(wù)，力爭使自己的技術(shù)能力更加完善和全面。在半導體工業(yè)需求日益增加的環(huán)境下，越來(lái)越多的公司開(kāi)始提供\"完整的解決方案\"。這種趨同性是人們所期望看到的，但同時(shí)雙方都會(huì )面臨一定的挑戰。
例如，以倒裝芯片BGA或系統封裝模塊為例，隨著(zhù)采用先進(jìn)技術(shù)制造而成的產(chǎn)品的類(lèi)型由板組裝方式向元件組裝方式的轉變，以往似乎不太重要的諸多因素都將發(fā)揮至關(guān)重要的作用?；ミB應力不同了，材料的不兼容性增加了，工藝流程也不一樣了。不論你的新產(chǎn)品類(lèi)型是否需要倒裝芯片技術(shù)，不論你是否認為采用倒裝芯片的時(shí)間合適與否，理解倒裝芯片技術(shù)所存在的諸多挑戰都是十分重要的。
2 倒裝芯片技術(shù)
\"倒裝芯片技術(shù)\"，這一名詞包括許多不同的方法。每一種方法都有許多不同之處，且應用也有所不同。例如，就電路板或基板類(lèi)型的選擇而言，無(wú)論它是有機材料、陶瓷材料還是柔性材料，都決定著(zhù)組裝材料(凸點(diǎn)類(lèi)型、焊劑、底部填充材料等)的選擇，而且在一定程度上還決定著(zhù)所需設備的選擇。在目前的情況下，每個(gè)公司都必須決定采用哪一種技術(shù)，選購哪一類(lèi)工藝部件，為滿(mǎn)足未來(lái)產(chǎn)品的需要進(jìn)行哪一些研究與開(kāi)發(fā)，同時(shí)還需要考慮如何將資本投資和運作成本降至最低額。
在SMT環(huán)境中最常用、最合適的方法是焊膏倒裝芯片組裝工藝。即使如此，為了確?？芍圃煨?、可靠性并達到成本目標也應考慮到該技術(shù)的許多變化。目前廣泛采用的倒裝芯片方法主要是根據互連結構而確定的。如，柔順凸點(diǎn)技術(shù)的實(shí)現要采用鍍金的導電聚合物或聚合物／彈性體凸點(diǎn)。
焊柱凸點(diǎn)技術(shù)的實(shí)現要采用焊球鍵合(主要采用金線(xiàn))或電鍍技術(shù)，然后用導電的各向同性粘接劑完成組裝。工藝中不能對集成電路(1C)鍵合點(diǎn)造成影響。在這種情況下就需要使用各向異性導電膜。焊膏凸點(diǎn)技術(shù)包括蒸發(fā)、電鍍、化學(xué)鍍、模版印刷、噴注等。因此，互連的選擇就決定了所需的鍵合技術(shù)。通常，可選擇的鍵合技術(shù)主要包括：再流鍵合、熱超聲鍵合、熱壓鍵合和瞬態(tài)液相鍵合等。
上述各種技術(shù)都有利也有弊，通常都受應用而驅動(dòng)。但就標準SMT工藝使用而言，焊膏倒裝芯片組裝工藝是最常見(jiàn)的，且已證明完全適合SMT。
3 焊膏倒裝芯片組裝技術(shù)
傳統的焊膏倒裝芯片組裝工藝流程包括：涂焊劑、布芯片、焊膏再流與底部填充等。但為了桷保成功而可靠的倒裝芯片組裝還必須注意其它事項。通常，成功始于設計。
首要的設計考慮包括焊料凸點(diǎn)和下凸點(diǎn)結構，其目的是將互連和IC鍵合點(diǎn)上的應力降至最低。如果互連設計適當的話(huà)，已知的可靠性模型可預測出焊膏上將要出現的問(wèn)題。對IC鍵合點(diǎn)結構、鈍化、聚酰亞胺開(kāi)口以及下凸點(diǎn)治金(UBM)結構進(jìn)行合理的設計即可實(shí)現這一目的。鈍化開(kāi)口的設計必須達到下列目的：降低電流密度；減小集中應力的面積；提高電遷移的壽命；最大限度地增大UBM和焊料凸點(diǎn)的斷面面積。
凸點(diǎn)位置布局是另一項設計考慮，焊料凸點(diǎn)的位置盡可能的對稱(chēng)，識別定向特征(去掉一個(gè)邊角凸點(diǎn))是個(gè)例外。布局設計還必須考慮順流切片操作不會(huì )受到任何干擾。在IC的有源區上布置焊料凸點(diǎn)還取決于IC電路的電性能和靈敏度。除此之外，還有其它的IC設計考慮，但晶片凸點(diǎn)制作公司擁有專(zhuān)門(mén)的IC焊點(diǎn)與布局設計準則來(lái)保證凸點(diǎn)的可靠性，從而可確?；ミB的可靠性。
主要的板設計考慮包括金屬焊點(diǎn)的尺寸與相關(guān)的焊料掩模開(kāi)口。首先，必須最大限度地增加板焊點(diǎn)位置的潤濕面積以形成較強的結合點(diǎn)。但必須注意板上潤濕面積的大小應與UBM的直徑相匹配。這有助于形成對稱(chēng)的互連，并可避免互連一端的應力高于另一端，即應力不均衡問(wèn)題。實(shí)際上，設計時(shí)，通常會(huì )采用使板的焊點(diǎn)直徑略大于UBM直徑的方法，目的是將接合應力集中在電路板一端，而不是較弱的IC上。對焊膏掩模開(kāi)口進(jìn)行適當的設計可以控制板焊點(diǎn)位置上的潤濕面積。
既可采用焊膏掩模設計也可采用無(wú)焊膏掩模設計，但將這兩種方法結合起來(lái)的設計是最可靠的設計手段。在相關(guān)的電路板圖形上使用矩形開(kāi)口并將焊膏掩模的清晰度也考慮在內即可設計出恰當的板焊點(diǎn)位置。如果設計不合理，一旦組裝環(huán)境發(fā)生變化或機械因數有所改變，IC就會(huì )出現焊膏疲勞斷裂。采用底部填料的方法的確能夠極大地提高倒裝芯片元件互連的可靠性，但如果不嚴格遵循設計準則的話(huà)還是不可避免地會(huì )產(chǎn)生同樣的失效機理。
4 晶片的凸點(diǎn)制作／切片
焊料凸點(diǎn)的作用是充當IC與電路板之間的機械互連、電互連、有時(shí)還起到熱互連的作用。在典型的倒裝芯片器件中，互連由UBM和焊料凸點(diǎn)本身構成。UBM搭接在晶片鈍化層上，以保護電路不受外部環(huán)境的影響。實(shí)際上，UBM充當著(zhù)凸點(diǎn)的基底。它具有極佳的與晶片金屬和鈍化材料的粘接性能，充當著(zhù)焊膏與IC鍵合金屬之間的焊膏擴散層，同時(shí)還為焊膏提供氧化勢壘潤濕表面。UBM疊層對降低IC焊點(diǎn)下方的應力具有十分重要的作用。
如前所述，焊料凸點(diǎn)制作技術(shù)的種類(lèi)很多。采用蒸發(fā)的方法需要在晶片表面上濺射勢壘金屬(采用掩?；蛴霉饪套鳛檩o助手段)形成UMB，然后蒸發(fā)Sn和Pb形成焊料。在隨后的工藝中對Sn和Pb焊料進(jìn)行再流，形成球形凸點(diǎn)。這一技術(shù)非常適用于采用耐高溫陶瓷基板的含鉛量較高的凸點(diǎn)(相對易熔焊料凸點(diǎn)而言)。但對有機電路板上的SMT應用而言，IC上的高鉛焊料凸點(diǎn)還需要采用易熔焊料來(lái)形成互連。
低成本的凸點(diǎn)制作技術(shù)，如電鍍或模版印刷(與濺射或化學(xué)鍍UBM相結合)都是目前常用的制作工藝。這些工藝的凸點(diǎn)制作成本要比蒸發(fā)低一些，而且在電路上使用易熔焊料還可省去再將其放置到電路板上的那步工藝及其費用。目前生產(chǎn)的其它焊料合金包括無(wú)鉛焊料、高鉛焊料和低α焊料等。
對電鍍凸點(diǎn)工藝而言，UBM材料要濺射在整個(gè)晶片的表面上，然后淀積光刻膠，并用光刻的方法在IC鍵合點(diǎn)上形成開(kāi)口。然后將焊接材料電鍍到晶片上并包含在光刻膠的開(kāi)口中。其后將光刻膠剝離，并對曝光的UBM材料進(jìn)行刻蝕，對晶片進(jìn)行再流，形成最終的凸點(diǎn)。另一種常用的方法是將焊料模版印刷到帶圖形的UBM(濺射或電鍍)上，然后再流。
控制凸點(diǎn)的最終高度具有十分重要的作用。它可以保證較高的組裝成品率。用于監測凸點(diǎn)制作工藝的破壞性凸點(diǎn)切斷測試方法常常會(huì )使焊膏中產(chǎn)生失效模式，但絕不會(huì )對UBM或下面的IC焊點(diǎn)造成這樣的結果。
晶片切割常常被看作是后端組裝中的第一步。磨蝕金剛石刀片以60,000rpm的轉速進(jìn)行切片。切割中要使用去離子水以提高切割的質(zhì)量并延長(cháng)刀片的壽命。目前，降低單個(gè)IC上的屑片缺陷是一項十分緊迫的任務(wù)。因為頂部的屑片有可能接近芯片的有源區，背面的屑片對倒裝芯片的可靠性極其不利。邊緣的斷裂，甚至是芯片區內的背面芯片在熱應力和機械應力的作用下常會(huì )擴展，導致器件的早期失效。
5 焊劑／拾裝／再流
完成晶片切割后，可將切分好的單個(gè)芯片留在晶片上，也可將其放置到華夫餅包裝容器、凝膠容器、Surftape或帶與軸封裝中。倒裝芯片布局設備必須具有處理帶凸點(diǎn)的芯片的能力。華夫餅容器適應于小批量需求，或用于免測芯片；帶與軸適用于SMT貼裝設備；送至貼裝設備的晶片較為普遍，且最適合大批量制造應用。
實(shí)際的倒裝芯片組裝工藝由分配焊劑開(kāi)始。分配焊劑的方法有多種，包括浸液、擠涂分配、模版印刷、或噴涂等。每一種方法都有其優(yōu)點(diǎn)和應用范圍。貼裝設備上通常要裝有焊劑或粘接膠浸潤組件。這種方法具備將焊劑固定到芯片凸點(diǎn)上的優(yōu)點(diǎn)。
控制焊劑膜的高度和盤(pán)的旋轉速度對批量生產(chǎn)的可重復性十分必要。焊劑分配工藝必須精確控制焊劑的分配量與可重復性。模版印刷焊劑適用于大批量制造，但對逆流設備的要求較高。不管采用哪一種方法，在粘貼倒裝芯片器件時(shí)都必須考慮材料的特性和所用焊劑的兼容性。
完成焊劑分配工藝后就可以采用多頭高速元件拾裝系統或超高精度拾裝系統拾取芯片了。為了促進(jìn)半導體后端制造與EMS組裝市場(chǎng)的結合，目前的拾裝設備，如西門(mén)子SiPlaceHF新型設備都具有較高的速度與精度。倒裝芯片與電路板對準由高精度攝像機完成。
拾裝工藝的關(guān)鍵參數包括元件的適當拾取、定位精度與可靠性、貼裝的力度大小、停留時(shí)間和成品率等。倒裝芯片拾裝精度通常要求在凸點(diǎn)節距的10％左右，以最大限度地減小平移偏移和旋轉偏移。許多公司已在不同板條件下對各種工藝參數進(jìn)行了廣泛的研究和探討，包括芯片尺寸、凸點(diǎn)節距、凸點(diǎn)高度和每個(gè)芯片上的凸點(diǎn)數量等。
拾裝設備上所用的噴嘴類(lèi)型是根據芯片尺寸與／或凸點(diǎn)引腳(全陣列與環(huán)形陣列)等因素而決定的。將分好的晶片中的芯片拾取，面朝下放好，貼到電路板上。如果噴嘴的硬度和一致性都正常的話(huà)就不會(huì )對凸點(diǎn)和芯片造成損壞。將芯片翻動(dòng)，拾取，對準并貼裝。
為了避免已裝置好的芯片在再流工藝前發(fā)生移動(dòng)，操作時(shí)應倍加小心。因此，再流工藝通常在直排的多級連續爐中采用對流、紅外加熱、或傳導加熱(強熱對流)進(jìn)行。在任何一種情況下都必須嚴格控制爐內氣氛和溫度分布，以確?？煽康脑倭骱更c(diǎn)。主要的影響參數包括液化、峰值溫度、斜坡速率、吸收時(shí)間、吸收溫度、冷卻速率與對流速率等。精確的分布(即，在芯片下放置熱電偶)具有十分重要的作用，因為這樣可以防止基板退化、焊膏不足和焊膏起球等現象。此外，焊劑的一致性、焊劑的活化以及均勻的熱傳遞都是十分關(guān)鍵的參數。
6 底部填充
焊膏再流工藝之后要使用底部填料以實(shí)現芯片與電路板的耦合，從而極大地提高互連的完整性與可靠性。最常用的技術(shù)就是在焊膏再流之后分配底部填料。但有一些應用也采用芯片粘貼之前分配不流動(dòng)的底部填料或在電路板上印刷，并在焊膏再流期間進(jìn)行固化。
要想順利地完成底部填料工藝就必須考慮一些重要的參數，如底部填充材料的特性與兼容性(適當地Tg、CTE和模件等)、分配量、分配形式、板的溫度與底部填充流動(dòng)的機理等。利用毛細作用的傳統的底部填充流動(dòng)主要取決于芯片的尺寸和外形、凸點(diǎn)的式樣、間隔大小、填充材料的黏度、芯片與板的表面張力、以及填充材料的潤濕角等。
針的尺寸、離芯片邊緣的分配距離、針距板的高度和分配的速度也是必須了解并加以控制的重要參數。此外，在填充工藝期間控制板的溫度可以提高毛細管的流動(dòng)，同時(shí)還可避免先期凝膠。
要確保高可靠的倒裝芯片組裝就必須充分了解材料的流動(dòng)特性，避免氣孔或分層(采用C模式掃描聲學(xué)顯微鏡可以看出)。濕氣與／或溫度循環(huán)會(huì )引起填充材料與芯片或基板的分層，而一旦產(chǎn)生分層就有可能造成高應力集中，并導致焊點(diǎn)的預先失效。
底部填充材料的固化工藝可在連續直排爐或間歇爐中完成?？刂茰囟鹊囊恢滦?、固化時(shí)間、以及爐內的氣氛條件，充分實(shí)現底部填料所具有的優(yōu)點(diǎn)是十分重要的。
倒裝芯片的成功實(shí)現與使用包含諸多設計、工藝、設備與材料因素。只有對每一個(gè)因素都加以認真考慮和對待才能夠促進(jìn)工藝和技術(shù)的不斷完善和進(jìn)步，才能滿(mǎn)足應用領(lǐng)域對倒裝芯片技術(shù)產(chǎn)品不斷增長(cháng)的需要。
