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倒裝芯片：向主流制造工藝推進
倒裝芯片：向主流制造工藝推進
對較小外形和較多功能的低成本電子設備的需求繼續(xù)在增長。這些快速變化的市場挑戰(zhàn)著電子制造商，降低制造成本以保證可接受的利潤率。倒裝芯片裝配(flip chip assembly)被認為是推進低成本、高密度便攜式電子設備的制造所必須的一項技術。
在低成本應用中，倒裝芯片的成功是因為它可達到相對于傳統(tǒng)表面貼裝元件包裝更大的成本效益。例如，一款新的尋呼機利用了倒裝芯片技術將微控制器裝配于PCB，因為倒裝芯片使用較少的電路板空間，比傳統(tǒng)的塑料球柵陣列(PBGA, plastic ball grid array)成本較低。材料
集成電路(Integraded circuit)
在這款尋呼機中的集成電路(IC, integrated circuit)是一個 5 x 5.6 mm 的微控制器，要求100個輸入/輸出(I/O)連接于PCB。將四周I/O重新分配為2.5排減少點數(depopulated)的球柵陣列形式來接納PCB的線/空格以及通路孔焊盤的限制。錫球(bump)布局與間距如圖一所示。
使用了電鍍共晶錫/鉛錫球，因為與其它的替代者比較，它的成本低得多。錫球的直徑大約為125 μm，球下金屬(UBM, under bump metalization)為一個顧客要求的45μm的銅柱，如圖二。
印刷電路板(PCB, printed circuit board)
成本因素決定這款尋呼機的PCB的布局。PCB是標準的FR-4，四個金屬層和一個無電鍍鎳/金表面涂層。由于增加材料成本和有限的可獲得性，所以沒有使用高密度互連(HDI, high-density interconnect)技術。無電鍍鎳/金表面涂層滿足所有產品的要求?，F場可靠性問題排除了選擇有機可焊性保護層(OSP, organic solderability preservative)，選擇性鎳-金的成本增加也沒有吸引性。
最低成本的PCB供應商的工藝能力限制板的密度為100μm線/空和0.5mm的通路孔焊盤。因此，所有通路孔(via)都是通孔(through-hole)型，避免盲孔(blind via)的成本增加。這些限制和阻焊層公差決定IC的分布形式、錫球尺寸和裝配間距，并定義芯片貼放要求。
限制通路孔的焊盤尺寸為最小的0.5mm，意味著芯片(die)底下只能放13個通路孔(via)剩下的I/O不得不用100μm的線與空在基板頂面走出去。只使用定面金屬層來布線剩下的87個I/O，這給IC的重新分布形式定下了一個標準。100μm線與空的設計要求將最終裝配間距固定在200μm(圖三)。
阻焊層(soldermask)的設計與工藝限制對直接芯片安裝(DCA, direct chip attachment)的裝配過程是關鍵的。必須控制電鍍共晶錫球的熔濕(wet)，以防止回流期間焊接點的完全倒塌和斷源。阻焊層可用來限制焊錫熔濕和控制錫球塌落的程度。這個控制是通過為每個錫球座設計離散的阻焊層開口來完成的(圖四)。在本文所述的應用中，工藝的限制和貼裝設備的能力使得不能使用單獨定義的錫球座。
低成本PCB供應商通常只可以維持大批量生產時的±75μm阻焊層對位精度。用于芯片貼裝(die placement)的導向絲桿設備的精度能力為±50μm。這些公差的累積要求0.375mm的阻焊層開口來保證貼裝與回流過程達到6σ能力。這個尺寸的開口容納阻焊層的偏移和貼裝公差，而不會將120μm直徑的錫球放到阻焊層上。
最后布局利用單個的阻焊條或“堤擋”來限制焊錫熔濕流出，并在關鍵區(qū)域防止斷源。堤擋放在流道上，直接連接于內通孔的連線孔(via)或那些認為太長的線上。要求總共11條阻焊堤擋或條來足夠地保護裝配(圖五)。這隨機放置的阻焊條提供整個芯片的連續(xù)的毛細管作用，結果得到均勻的充膠(underfill)流峰，和無空洞的密封膠。
錫球(solder bump)
在阻焊層可用于控制低成本、密間距應用的芯片(die)塌落之前，必須改進材料的定位和孔的準確度。阻焊堤擋可有效的防止焊錫點斷源，但不能充分地限制回流時的錫球倒塌(die collapse)。為了有效地控制芯片離板高度，錫球的銅UBM(錫球下的金屬)需要改進。使用45μm的銅柱UBM可達到連續(xù)一致的工藝過程和可靠性。這個錫球結構提供阻焊層之上43μm的間隙，容易作底部充膠。圖六顯示最后的錫球結構和回流之后相應的力板高度。
工藝過程
建立最終的設計版本和材料規(guī)格，允許制造過程得到優(yōu)化，達到最大的產量與最好的品質。雖然與標準的表面貼裝相似，倒裝芯片要求特殊的考慮因素。在工廠實施之前的準備將改進生產線產量，過程合格率和產品可靠性。倒裝芯片工藝包括上助焊劑(fluxing)、芯片貼裝(die placement)、回流(reflow)、底部充膠(underfill)和固化(cure)。
上助焊劑(fluxing)
上助焊劑(fluxing)是倒裝芯片工藝的第一步，其重要性經常被低估了。在形成連接之前，助焊劑將芯片保持在位置上，減少氧化和加速共晶焊錫球的回流。本應用中使用的免洗助焊劑具有高粘著性(tack)、低粘度(viscosity)、長蒸發(fā)時間、最低回流焊后殘留物、低毒性和最小氣味。
在錫球回流之前芯片的移動是一個關注，因為200μm的裝配間距幾乎不允許有對位錯誤。造成未對準或相對移位芯片的原因可能不同，但包括：
PCB彎曲變形(warped PCB)：當芯片(die)貼放到電路板表面時，彎曲的板可能會柔曲。已經貼裝在板上的芯片，在剩下的芯片貼裝時，要經受電路板的類似于崩床的運動。
板的傳送：在芯片(die)貼裝之后，裝配傳送到回流焊爐必須流暢。傳送帶對不準或貼裝單元的升起定位機構或傳送帶的突然加速都可能造成芯片移位。
爐的情況：爐內高速氣流將吹動芯片偏移定位。
具有高粘著性和低蒸發(fā)速率的助焊劑系統(tǒng)將減少這些材料處理的缺陷和提高更快的生產線速度。如果助焊劑在芯片貼裝或回流之前蒸發(fā)，那么IC更可能移位。慢的蒸發(fā)保持最多的助焊劑，在回流爐的升溫和保溫區(qū)期間，把芯片固定在位。理想的，助焊劑不應該蒸發(fā)太多，直到元件達到回流溫度曲線的液化區(qū)域。快速干燥的醇基助焊劑可能要求芯片貼裝之前分階段處理。
為了充分利用貼裝單元，上助焊劑是使用一臺專用的滴膠機在芯片貼裝之前完成的。沒有采用諸如壓印(stamping)、浸(dipping)或刷(brushing)等接觸式方法，由于產品專門的定位裝置和對污染的關注。
量的控制是助焊劑滴涂的最重要方面。要求最少的量是百分之百的覆蓋錫球座/滑道(site/runner)。不完全覆蓋將造成電氣開路和裝配的報廢。增加的量超過了百分之百的要求將改善粘著性能，但可能反過來影響產品的可靠性。過多的助焊劑可能造成回流焊后的殘留物和不希望的區(qū)域侵蝕。有機殘留物對底部充膠是有害的，降低系統(tǒng)的現場可靠性。助焊劑遷移或流動超出芯片座可能引起焊錫球(solder ball)、元件豎立(tombstoning)和PCB的離子污染(ionic contamination)。對每個產品的最后量的規(guī)定必須平衡百分之百覆蓋要求、最大粘著性能、最少助焊劑殘留物和元件偏移控制。
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