芯片貼裝相關(guān)技術(shù)

　　普通倒裝芯片封裝

　　倒裝芯片的芯片規(guī)模封裝(CSP, chip scale package)通常是以矩陣條的形式處理的，而高性能零件是在載體或“船”中處理的。傳統(tǒng)的CSP條狀形式每條含有8~10個(gè)單元，CSP芯片尺寸范圍從2.5~11 mm2。高性能芯片尺寸范圍從11~26mm2，封裝的變化從23~50mm2。

　　芯片處理(Die handling)

　　倒裝芯片安裝機(jī)器需要能夠處理以各種形式出現(xiàn)的芯片。窩伏爾組件(Waffle pack)、卷帶供料器(tape feeder)和晶圓環(huán)(wafer ring)是其中最普遍的形式，它們每一個(gè)都有優(yōu)點(diǎn)和局限。

　　窩伏爾組件(Waffle pack)：允許組裝已知好芯片(KGD, known good die)的封裝。這減少了將電器上有問(wèn)題的芯片放入電器上好的封裝內(nèi)?？v橫比(aspect ratio)或者芯片尺寸相當(dāng)于窩伏爾組件(Waffle pack)的凹坑尺寸應(yīng)該緊密控制，以減少處理期間芯片的移動(dòng)。理想地，在X與Y軸上，凹坑的尺寸應(yīng)該不大于芯片尺寸的百分之十。在高產(chǎn)量裝配中使用窩伏爾組件(Waffle pack)的限制條件是相對(duì)很少芯片可以放在或者2"或者4"的窩伏爾組件(Waffle pack)內(nèi)。芯片越大，越少可以放在組件內(nèi)，它導(dǎo)致經(jīng)常性的機(jī)器裝料。最后，使用窩伏爾組件(Waffle pack)在芯片安裝工序之前產(chǎn)生一個(gè)額外的工序，芯片揀選/拾取和放置。

　　卷帶供料器(tape feeder)：以卷帶供料器給與芯片安裝機(jī)器的芯片對(duì)于芯片安裝工藝的優(yōu)點(diǎn)類似于窩伏爾組件(Waffle pack)方法。卷帶供料器的使用通常解決KGD的問(wèn)題，可適合于那些裝備用倒裝芯片貼裝但不能處理晶圓(wafer)的SMT機(jī)器。同樣，卷帶供料的芯片要求在芯片安裝之前的芯片揀選/拾取與貼裝工藝。

　　晶圓環(huán)(wafer ring)：粘貼在帶上供給機(jī)器的晶圓和晶圓環(huán)也許是最普遍的芯片供給形式，特別是在傳統(tǒng)的芯片安裝工藝中。該方法通常最適合于高產(chǎn)量裝配。它也要求對(duì)有關(guān)芯片排出(die-eject)優(yōu)化的嚴(yán)密注意。芯片排出針和芯片排出帽需要仔細(xì)挑選，以實(shí)現(xiàn)一個(gè)穩(wěn)定的排出工藝。其他參數(shù)，諸如針尾高度和排射速度，需要檢定。如果這些參數(shù)不考慮，芯片破裂、微裂紋和誤拾可能會(huì)發(fā)生。

　　芯片排出(Die Ejecting)

　　為了從晶圓帶上成功地排出芯片，關(guān)鍵是定制排出沖頭(eject chuck)(或帽)的尺寸和正確地將排出針(eject needle)間隔到芯片尺寸。作為一般原則，針的周長(zhǎng)間隔應(yīng)該不小于芯片周長(zhǎng)的80%，并且總是有一根針在中央位置(圖一)。

　　針的選擇是排出工藝的另一個(gè)關(guān)鍵方面。帶尖刺的針可能刻傷芯片的背面，這可能導(dǎo)致裂紋。在頂尖有一個(gè)半徑的排出針應(yīng)該不會(huì)刺傷卷帶，因此消除這個(gè)問(wèn)題。可是，通常需要兩階段的排出工藝。圖2a說(shuō)明初始的排出針位置。通過(guò)機(jī)器軟件增加一個(gè)短暫延時(shí)，以允許帶從芯片的角上剝離。當(dāng)圍繞頂針周圍的帶仍保持與芯片接觸時(shí)，針可以升到編程的最后位置，芯片拾取工序可以完成(圖2b)。較大的芯片要求較長(zhǎng)的延時(shí)來(lái)等待卷帶從邊緣剝離。

　　芯片拾取(Die Picking)

　　叭」ぞ甙湊斬フ氳牟牧俠囪≡瘢?Ω夢(mèng)?酒?ㄖ瞥嘰紜M耆?帕械牡棺熬г?flip chip)的芯片(die)(芯片頂面全部放置了錫球)要求一個(gè)柔順的接觸表面，以維持真空。這通常是對(duì)于大的芯片(大于10mm2)。

　　周圍排列錫球的芯片允許用戶選擇硬頂尖的工具，它可加速在較小芯片上貼裝期間的芯片粘貼。材料必須是防靜電的，因此不會(huì)傷害到電路。

　　視覺(jué)系統(tǒng)(Vision Systems)

　　對(duì)于視覺(jué)識(shí)別的一個(gè)關(guān)鍵考慮是用來(lái)看基準(zhǔn)點(diǎn)的光波長(zhǎng)度。在IC封裝中使用的材料有很多：陶瓷、金屬、聚合物和半導(dǎo)體。每一種材料都有獨(dú)特的反射和反射特性。實(shí)際上，當(dāng)要識(shí)別在晶圓或基板上的獨(dú)特圖案時(shí)，這就變成范圍很寬的對(duì)比度、亮度和光澤因素。在許多情況中，簡(jiǎn)單地調(diào)節(jié)攝像機(jī)上的機(jī)械設(shè)定(亮度、f-stop、入射光角度、光圈)不足以把基準(zhǔn)點(diǎn)從背景中分辨出來(lái)。光的波長(zhǎng)的實(shí)際改變，如從白光到紅光，可能需要來(lái)保證準(zhǔn)確的基準(zhǔn)點(diǎn)定位。圖三顯示以相同的光設(shè)定的不同LED顏色怎樣影響芯片的照明及其視覺(jué)出來(lái)。

　　上助焊劑的系統(tǒng)(Fluxing Systems)

　　倒裝芯片錫球與焊盤上助焊劑的方法也可能不同。典型的方法是蓋印助焊劑(stamp fluxing)、印刷助焊劑(print fluxing)、和滴涂助焊劑(dispense fluxing)。同樣，每個(gè)方法有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。不僅要考慮所希望的上助焊劑媒介的材料特性，而且要考慮與每種工藝相聯(lián)系的設(shè)備投資和工藝時(shí)間。另外，每個(gè)錫球的助焊劑用量和助焊劑作用的總的表面面積對(duì)下游工序和最終產(chǎn)品的可靠性有重要的影響。甚至助焊劑標(biāo)榜為“免洗”助焊劑，一個(gè)設(shè)計(jì)差勁的上助焊劑工藝可能會(huì)使助焊劑的“免洗特性毫無(wú)作用。

　　蓋印助焊劑(stamp fluxing)：在這種方法中，一個(gè)小的托盤放在FCA機(jī)器內(nèi)面。助焊劑放入托盤，一把醫(yī)用刀片用來(lái)將助焊劑平衡到所希望的高度。隨著每個(gè)芯片從供料器拾取，它移動(dòng)到助焊劑托盤，下降到助焊劑托盤內(nèi)或“蓋印”一下，然后貼放在基板上。該方法的優(yōu)點(diǎn)是使用簡(jiǎn)單的設(shè)備在芯片錫球上上助焊劑，并集成在FCA工藝中。主要缺點(diǎn)是助焊劑高度的精度，因?yàn)楹苌俸?jiǎn)單而可靠的集成方法用來(lái)測(cè)量托盤內(nèi)助焊劑的厚度。

　　印刷助焊劑(print fluxing)：助焊劑的印刷方法是標(biāo)準(zhǔn)的絲印(screen printing)工藝。一個(gè)模板放在基板的幾個(gè)mil之內(nèi)，一把刮刀推動(dòng)一定數(shù)量的助焊劑從模板刮過(guò)。因此助焊劑沉積在模板開孔的基板上。該方法可以迅速在許多的芯片座上助焊劑，但要求上游設(shè)備和工序。與蓋印方法一樣，精確測(cè)量助焊劑的量是困難的。

　　滴涂助焊劑(dispense fluxing)：滴涂也許是分配助焊劑的最不復(fù)雜的方法，但它也可能對(duì)可靠性有最大的負(fù)面影響。在該方法中，液體助焊劑滴在每個(gè)倒裝芯片座的中央。然后助焊劑在基板面上流出，在每個(gè)焊盤上上助焊劑。該方法的設(shè)備是簡(jiǎn)單的氣壓注射器，它可直接集成在FCA設(shè)備內(nèi)。工藝時(shí)間最低限度地取決于貼裝步驟順序如何編程和設(shè)備的并行能力。該方法的一個(gè)主要缺點(diǎn)是，助焊劑的量大大地超過(guò)要求覆蓋接合焊盤的理論最小量。另外，助焊劑可能以不想要的方式作用倒裝芯片系統(tǒng)。例如，阻焊層可能吸收助焊，它會(huì)在后面的工序中揮發(fā)，再重新沉積在芯片表面上。過(guò)多的助焊劑可能在回流期間結(jié)晶，造成表面污染。

　　芯片貼裝精度(Die Placement Accuracy)

　　倒裝芯片裝配的一個(gè)重要特性是倒裝芯片元件可以在錫球回流期間“自我對(duì)準(zhǔn)”的能力。當(dāng)錫球達(dá)到液化狀態(tài)，由液體焊錫熔濕(wetting)接合焊盤所產(chǎn)生的力量足以將元件拉到與接合焊盤的完美對(duì)中。由于這個(gè)理由，倒裝芯片元件的初始貼裝有比原先預(yù)想的稍微較大的公差。按照焊盤尺寸的百分比，倒裝芯片的錫球可以與接合焊盤的中心誤差達(dá)到25%。這個(gè)誤差的絕對(duì)值取決于焊盤與錫球的直徑，因?yàn)榇蟮腻a球有較大的貼裝公差。大多數(shù)今天的FCA系統(tǒng)能夠達(dá)到±10μm或更好的貼裝可重復(fù)性。

　　生產(chǎn)率(Productivity)

　　芯片的貼裝率一般是機(jī)器精度與構(gòu)造以及工藝步驟的產(chǎn)物。一部高精度機(jī)器(低于10微米)依靠通過(guò)機(jī)器軟件的運(yùn)動(dòng)控制設(shè)定來(lái)達(dá)到更準(zhǔn)確和可預(yù)計(jì)的貼裝點(diǎn)位置。這些額外的運(yùn)算增加軸的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，這是一個(gè)取決于機(jī)器實(shí)際工作區(qū)域的問(wèn)題。

　　許多表面貼裝機(jī)器已經(jīng)重新裝備了倒裝芯片的貼裝能力。典型地，SMT機(jī)器具有生產(chǎn)相對(duì)于比微電子封裝大的印刷電路板(PCB)。大的工作區(qū)域即要消耗X-Y運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，從而影響生產(chǎn)率。PCB處理能力也將影響機(jī)器的占地面積(footprint)。10,000級(jí)的清潔室內(nèi)裝配車間的單位成本比SMT裝配車間貴許多。最后，集成上助焊劑能力的機(jī)器通常將增加每個(gè)芯片貼裝的時(shí)間1~2秒。這個(gè)額外的工藝時(shí)間必須考慮，并與上游上助焊劑系統(tǒng)及有關(guān)成本一起衡量。