環(huán)球儀器專(zhuān)家解讀：FC裝配技術(shù)

李憶—環(huán)球儀器上海SMT工藝實(shí)驗室工藝研究工程師

器件的小型化高密度封裝形式越來(lái)越多，如多模塊封裝（MCM）、系統封裝（SiP）、倒裝芯 片（FC，Flip-Chip）等應用得越來(lái)越多。這些技術(shù)的出現更加模糊了一級封裝與二級裝配之間的界線(xiàn)。毋庸置疑，隨著(zhù)小型化高密度封裝的出現，對高速與高精度裝 配的要求變得更加關(guān)鍵，相關(guān)的組裝設備和工藝也更具先進(jìn)性與高靈活性。

由于倒裝芯片比BGA或CSP具有更小的外形尺寸、更小的球徑和球間距、它對植球工藝、基板技術(shù)、材料的兼容性、制造工藝，以及檢查設備和方法提出了前所未有的挑戰。

倒裝芯片的發(fā)展歷史

倒裝芯片的定義

什么器件被稱(chēng)為倒裝芯片？一般來(lái)說(shuō)，這類(lèi)器件具備 以下特點(diǎn)：

1.基材是硅；
2.電氣面及焊凸在器件下表面；
3.球間距一般為4-14mil、球徑為2.5-8mil、外形尺寸為1-27mm；
4.組裝在基板上后需要做底部填充。

其實(shí)，倒裝芯片之所以被稱(chēng)為“倒裝”，是相對于傳 統的金屬線(xiàn)鍵合連接方式（Wire Bonding）與植球后的工藝 而言的。傳統的通過(guò)金屬線(xiàn)鍵合與基板連接的芯片電氣面朝 上（圖1），而倒裝芯片的電氣面朝下（圖2），相當于將 前者翻轉過(guò)來(lái)，故稱(chēng)其為“倒裝芯片”。在圓片（Wafer） 上芯片植完球后（圖3），需要將其翻轉，送入貼片機，便于貼裝，也由于這一翻轉過(guò)程，而被稱(chēng)為“倒裝芯片”。

倒裝芯片的歷史及其應用

倒裝芯片在1964年開(kāi)始出現，1969年由IBM發(fā)明了倒 裝芯片的C4工藝（Controlled Collapse Chip Connection， 可控坍塌芯片聯(lián)接）。過(guò)去只是比較少量的特殊應用，近 幾年倒裝芯片已經(jīng)成為高性能封裝的互連方法，它的應用 得到比較廣泛快速的發(fā)展。目前倒裝芯片主要應用在Wi- Fi、SiP、MCM、圖像傳感器、微處理器、硬盤(pán)驅動(dòng)器、醫用傳感器，以及RFID等方面（圖5）。

與此同時(shí)，它已經(jīng)成 為小型I/O應用有效的互連解決方案。隨著(zhù)微型化及人們已 接受SiP，倒裝芯片被視為各種針腳數量低的應用的首選方 法。從整體上看，其在低端應用和高端應用中的采用，根 據TechSearch International Inc對市場(chǎng)容量的預計，焊球凸點(diǎn)倒裝芯片的年復合增長(cháng)率（CAGR）將達到31%。

倒裝芯片應用的直接驅動(dòng)力來(lái)自于其優(yōu)良的電氣性能，以及市場(chǎng)對終端產(chǎn)品尺寸和成本的要求。在功率及電 信號的分配，降低信號噪音方面表現出色，同時(shí)又能滿(mǎn)足高密度封裝或裝配的要求?？梢灶A見(jiàn)，其應用會(huì )越來(lái)越廣泛。

倒裝芯片的組裝工藝流程

一般的混合組裝工藝流程

在半導體后端組裝工廠(chǎng)中，現在有兩種模塊組裝方法。在兩次回流焊工藝中，先在單獨的SMT生產(chǎn)線(xiàn)上組裝SMT器件，該生產(chǎn)線(xiàn)由絲網(wǎng)印刷機、貼片機和第一個(gè)回 流焊爐組成。然后再通過(guò)第二條生產(chǎn)線(xiàn)處理部分組裝的模塊，該生產(chǎn)線(xiàn)由倒裝芯片貼片機和回流焊爐組成。底部填 充工藝在專(zhuān)用底部填充生產(chǎn)線(xiàn)中完成，或與倒裝芯片生產(chǎn)線(xiàn)結合完成。

倒裝芯片的裝配工藝流程介紹

相對于其它的IC器件，如BGA、CSP等，倒裝芯片 裝配工藝有其特殊性，該工藝引入了助焊劑工藝和底部填充工藝。因為助焊劑殘留物（對可靠性的影響）及橋連的 危險，將倒裝芯片貼裝于錫膏上不是一種可采用的裝配方法。業(yè)內推出了無(wú)需清潔的助焊劑，芯片浸蘸助焊劑工藝成為廣泛使用的助焊技術(shù)。目前主要的替代方法是使用免洗助焊劑，將器件浸蘸在助焊劑薄膜里讓器件焊球蘸取一 定量的助焊劑，再將器件貼裝在基板上，然后回流焊接；或者將助焊劑預先施加在基板上，再貼裝器件與回流焊 接。助焊劑在回流之前起到固定器件的作用，回流過(guò)程中起到潤濕焊接表面增強可焊性的作用。

倒裝芯片焊接完成后，需要在器件底部和基板之間填充一種膠（一般為環(huán)氧樹(shù)酯材料）。底部填充分為于“毛細流動(dòng)原理”的流動(dòng)性和非流動(dòng)性（No-follow）底部填充。

上述倒裝芯片組裝工藝是針對C4器件（器件焊凸材料為SnPb、SnAg、SnCu或SnAgCu）而言。另外一種工藝是 利用各向異性導電膠（ACF）來(lái)裝配倒裝芯片。預先在基板上施加異性導電膠，貼片頭用較高壓力將器件貼裝在基板 上，同時(shí)對器件加熱，使導電膠固化。該工藝要求貼片機具有非常高的精度，同時(shí)貼片頭具有大壓力及加熱功能。 對于非C4器件（其焊凸材料為Au或其它）的裝配，趨向采用此工藝。這里，我們主要討論C4工藝，下表列出的是倒裝芯片植球（Bumping）和在基板上連接的幾種方式。

倒裝倒裝芯片幾何尺寸可以用一個(gè)“小”字來(lái)形容：焊球直徑?。ㄐ〉?.05mm），焊球間距?。ㄐ〉?.1mm），外形尺寸?。?mm2）。要獲得滿(mǎn)意的裝配良率，給貼裝設備及其工藝帶來(lái)了挑戰，隨著(zhù)焊球直徑的縮小，貼裝精度要求越來(lái)越高，目前12μm甚至10μm的精度越來(lái)越常見(jiàn)。貼片設備照像機圖形處理能力也十分關(guān)鍵，小的球徑小的球間距需要更高像素的像機來(lái)處理。

隨著(zhù)時(shí)間推移，高性能芯片的尺寸不斷增大，焊凸（Solder Bump）數量不斷提高，基板變得越來(lái)越薄，為了提高產(chǎn)品可靠性底部填充成為必須。

對貼裝壓力控制的要求

考慮到倒裝芯片基材是比較脆的硅，若在取料、助焊劑浸蘸過(guò)程中施以較大的壓力容易將其壓裂，同時(shí)細小的焊凸在此過(guò)程中也容易壓變形，所以盡量使用比較低的貼裝壓力，一般要求在150g左右。對于超薄形芯片，如0.3mm，有時(shí)甚至要求貼裝壓力控制在35g。

對貼裝精度及穩定性的要求

對于球間距小到0.1mm的器件，需要怎樣的貼裝精度 才能達到較高的良率？基板的翹曲變形，阻焊膜窗口的尺寸和位置偏差，以及機器的精度等，都會(huì )影響到最終的貼 裝精度。關(guān)于基板設計和制造的情況對于貼裝的影響，我們在此不作討論，這芯片裝配工藝對貼裝設備的要求里我們只是來(lái)討論機器的貼裝精度。為了回答上面的問(wèn)題，我們來(lái)建立一個(gè)簡(jiǎn)單的假設模型：

1.假設倒裝芯片的焊凸為球形，基板上對應的焊盤(pán)為圓形，且具有相同的直徑；
2.假設無(wú)基板翹曲變形及制造缺陷方面的影響；
3.不考慮Theta和沖擊的影響；
4.在回流焊接過(guò)程中，器件具有自對中性，焊球與潤濕面50%的接觸在焊接過(guò)程中可以被“拉正”。

那么，基于以上的假設，直徑25μm的焊球如果其對應的圓形焊盤(pán)的直徑為50μm時(shí)，左右位置偏差（X軸）或 前后位置偏差（Y軸）在焊盤(pán)尺寸的50%，焊球都始終在焊盤(pán)上（圖9）。對于焊球直徑為25μm的倒裝芯片，工藝能力Cpk要達到1.33的話(huà)，要求機器的最小精度必須達到12μm@3sigma。

對照像機和影像處理技術(shù)的要求

要處理細小焊球間距的倒裝芯片的影像，需要百萬(wàn)像素的數碼像機。較高像素的數碼像機有較高的放大倍率， 但是，像素越高視像區域（FOV）越小，這意味著(zhù)大的器件可能需要多次“拍照”。照像機的光源一般為發(fā)光二極 管，分為側光源、前光源和軸向光源，并可以單獨控制。倒裝芯片的的成像光源采用側光、前光，或兩者結合。

那么，對于給定器件如何選擇像機呢？這主要依賴(lài)圖 像的算法。譬如，區分一個(gè)焊球需要N個(gè)像素，則區分球間 距需要2N個(gè)像素。以環(huán)球儀器的貼片機上Magellan數碼像機為例，其區分一個(gè)焊球需要4個(gè)像素，我們用來(lái)看不同的 焊球間隙所要求的最大的像素應該是多大，這便于我們根 據不同的器件來(lái)選擇相機，假設所有的影像是實(shí)際物體尺寸的75%。

倒裝芯片基準點(diǎn)（Fiducial）的影像處理與普通基準 點(diǎn)相似。倒裝芯片的貼裝往往除整板基準點(diǎn)外（Global fiducial）會(huì )使用局部基準點(diǎn)（Local fiducial），此時(shí)的基 準點(diǎn)會(huì )較?。?.15—1.0mm），像機的選擇參照上面的方 法。對于光源的選擇需要斟酌，一般貼片頭上的相機光源 都是紅光，在處理柔性電路板上的基準點(diǎn)時(shí)效果很差，甚至找不到基準點(diǎn)，其原因是基準點(diǎn)表面（銅）的顏色和基 板顏色非常接近，色差不明顯。如果使用環(huán)球儀器的藍色光源專(zhuān)利技術(shù)就很好的解決了此問(wèn)題。

吸嘴的選擇

由于倒裝芯片基材是硅，上表面非常平整光滑，最好選擇頭部是硬質(zhì)塑料材料具多孔的ESD吸嘴。如果選擇頭部 為橡膠的吸嘴，隨著(zhù)橡膠的老化，在貼片過(guò)程中可能會(huì )粘連器件，造成貼片偏移或帶走器件。

對助焊劑應用單元的要求

助焊劑應用單元是控制助焊劑浸蘸工藝的重要部分， 其工作的基本原理就是要獲得設定厚度的穩定的助焊劑薄 膜，以便于器件各焊球蘸取的助焊劑的量一致。 要精確穩定的控制助焊劑薄膜的厚度，同時(shí)滿(mǎn)足高速浸蘸的要求，該助焊劑應用單元必須滿(mǎn)足以下要求：

1. 可以滿(mǎn)足多枚器件同時(shí)浸蘸助焊劑（如同時(shí)浸蘸4或7枚）提高產(chǎn)量；
2. 助焊劑用單元應該簡(jiǎn)單、易操作、易控制、易清潔；
3. 可以處理很廣泛的助焊劑或錫膏，適合浸蘸工藝的 助焊劑粘度范圍較寬，對于較稀和較粘的助焊劑都 要能處理，而且獲得的膜厚要均勻；
4. 蘸取工藝可以精確控制，浸蘸的工藝參數因材料的不同而會(huì )有差異，所以浸蘸過(guò)程工藝參數必須可以單獨控制，如往下的加速度、壓力、停留時(shí)間、向上的加速度等。

對供料器的要求

要滿(mǎn)足批量高速高良率的生產(chǎn)，供料技術(shù)也相當關(guān)鍵。倒裝芯片的包裝方式主要有這么幾種：2×2或4×4英 JEDEC盤(pán)、200mm或300mm圓片盤(pán)（Wafer）、還有 卷帶料盤(pán)（Reel）。對應的供料器有：固定式料盤(pán)供料器 (Stationary tray feeder)，自動(dòng)堆疊式送料器（Automated stackable feeder），圓片供料器（Wafer feeder），以及帶式供料器。

所有這些供料技術(shù)必須具有精確高速供料的能力，對于圓片供料器還要求其能處理多種器件包裝方式，譬如： 器件包裝可以是JEDEC盤(pán)、或裸片，甚至完成芯片在機器內完成翻轉動(dòng)作。

我們來(lái)舉例說(shuō)明幾種供料器. Unovis的裸晶供料器（DDF Direct Die Feeder）特點(diǎn)：
可用于混合電路或感應器、 多芯片模組、系統封裝、RFID和3D裝配
圓片盤(pán)可以豎著(zhù)進(jìn)料、節省空間，一臺機器可以安裝多臺DDF
芯片可以在DDF內完成翻轉
可以安裝在多種貼片平臺上，如：環(huán)球儀器、西門(mén)子 、安必昂、富士

對板支撐及定位系統的要求

有些倒裝芯片是應用在柔性電路板或薄型電路板上，這時(shí)候對基板的平整支撐非常關(guān)鍵。解決方案往往會(huì )用到 載板和真空吸附系統，以形成一個(gè)平整的支撐及精確的定位系統，滿(mǎn)足以下要求：

1.基板Z方向的精確支撐控制，支撐高度編程調節；
2.提供客戶(hù)化的板支撐界面；
3.完整的真空發(fā)生器；
4.可應用非標準及標準載板。

回流焊接及填料固化后的檢查

對完成底部填充以后產(chǎn)品的檢查有非破壞性檢查和破壞性檢查，非破壞性的檢查有

利用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行外觀(guān)檢查，譬如檢查填料在器件側面爬升的情況，是否形成良好的邊緣圓角，器件表面是否有臟污等
利用X射線(xiàn)檢查儀檢查焊點(diǎn)是否短路，開(kāi)路，偏移，潤濕情況，焊點(diǎn)內空洞等
電氣測試（導通測試），可以測試電氣聯(lián)結是否有 問(wèn)題。對于一些采用菊花鏈設計的測試板，通過(guò)通斷測試還可以確定焊點(diǎn)失效的位置
利用超聲波掃描顯微鏡（C-SAM）檢查底部填充后 其中是否有空洞、分層，流動(dòng)是否完整

破壞性的檢查可以對焊點(diǎn)或底部填料進(jìn)行切片，結合光學(xué)顯微鏡，金相顯微鏡或電子掃描顯微鏡和能譜分析儀 （SEM/EDX），檢查焊點(diǎn)的微觀(guān)結構，例如，微裂紋/微 孔，錫結晶，金屬間化合物，焊接及潤濕情況，底部填充 是否有空洞、裂紋、分層、流動(dòng)是否完整等。

完成回流焊接及底部填充工藝后的產(chǎn)品常見(jiàn)缺陷有： 焊點(diǎn)橋連/開(kāi)路、焊點(diǎn)潤濕不良、焊點(diǎn)空洞/氣泡、焊點(diǎn)開(kāi) 裂/脆裂、底部填料和芯片分層和芯片破裂等。對于底部填充是否完整，填料內是否出現空洞，裂紋和分層現象，需 要超聲波掃描顯微鏡（C-SAM）或通過(guò)與芯片底面平行的 切片（Flat section）結合顯微鏡才能觀(guān)察到，這給檢查此 類(lèi)缺陷增加了難度。

底部填充材料和芯片之間的分層往往發(fā)生在應力最大 器件的四個(gè)角落處或填料與焊點(diǎn)的界面，如左圖13 所示。

總結

倒裝芯片在產(chǎn)品成本，性能及滿(mǎn)足高密度封裝等方面 體現出優(yōu)勢，它的應用也漸漸成為主流。由于倒裝芯片的 尺寸小，要保證高精度高產(chǎn)量高重復性，這給我們傳統的 設備及工藝帶來(lái)了挑戰，具體表現在以下幾個(gè)方面：

1. 基板（硬板或軟板）的設計方面；
2．組裝及檢查設備方面；
3．制造工藝,芯片的植球工藝，PCB的制造工藝，SMT工藝；
4．材料的兼容性。

全面了解以上問(wèn)題是成功進(jìn)行倒裝芯片組裝工藝的基礎。

環(huán)球儀器SMT實(shí)驗室自1994年已成功開(kāi)發(fā)此完整工 藝，迄今我們使用了約75種助焊劑和150種底部填充材料在 大量不同的基板上貼裝了100,000個(gè)倒裝片，進(jìn)行測試和細致的失效分析，涵蓋了廣泛的參數范圍。

環(huán)球儀器對于倒裝芯片裝配的設備解決方案，兼顧了高速和高精度的特點(diǎn)，譬如：DDF送料器結合GI-14平臺可 以實(shí)現裸芯片進(jìn)料高速貼裝，而AdVantis XS 平臺可以實(shí)現精度達9微米3西格碼的貼裝（下圖）?？梢詰眠@些解決方案實(shí)現倒裝芯片，系統封裝（高混合裝配），裸芯片裝配及內植器件。

如果讀者對完整的倒裝芯片裝配工藝感興趣或有疑問(wèn)，歡迎與本文作者聯(lián)系：liyi@uic.com。