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倒裝芯片：向主流制造工藝推進(jìn)
倒裝芯片：向主流制造工藝推進(jìn)
對較小外形和較多功能的低成本電子設(shè)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(rèn)為是推進(jìn)低成本、高密度便攜式電子設(shè)備的制造所必須的一項技術(shù)。
在低成本應(yīng)用中，倒裝芯片的成功是因為它可達(dá)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(shù)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(shù)(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(biāo)準(zhǔn)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(shù)。無電鍍鎳/金表面涂層滿足所有產(chǎn)品的要求?，F(xiàn)場可靠性問題排除了選擇有機可焊性保護(hù)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)。100μm線與空的設(shè)計要求將最終裝配間距固定在200μm(圖三)。
阻焊層(soldermask)的設(shè)計與工藝限制對直接芯片安裝(DCA, direct chip attachment)的裝配過程是關(guān)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(shè)計離散的阻焊層開口來完成的(圖四)。在本文所述的應(yīng)用中，工藝的限制和貼裝設(shè)備的能力使得不能使用單獨定義的錫球座。
低成本PCB供應(yīng)商通常只可以維持大批量生產(chǎn)時的±75μm阻焊層對位精度。用于芯片貼裝(die placement)的導(dǎo)向絲桿設(shè)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(dá)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(guān)鍵區(qū)域防止斷源。堤擋放在流道上，直接連接于內(nèi)通孔的連線孔(via)或那些認(rèn)為太長的線上。要求總共11條阻焊堤擋或條來足夠地保護(hù)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(xì)管作用，結(jié)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(yīng)用的芯片(die)塌落之前，必須改進(jìn)材料的定位和孔的準(zhǔn)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(jìn)。使用45μm的銅柱UBM可達(dá)到連續(xù)一致的工藝過程和可靠性。這個錫球結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)和回流之后相應(yīng)的力板高度。
工藝過程
建立最終的設(shè)計版本和材料規(guī)格，允許制造過程得到優(yōu)化，達(dá)到最大的產(chǎn)量與最好的品質(zhì)。雖然與標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)備將改進(jìn)生產(chǎn)線產(chǎn)量，過程合格率和產(chǎn)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(jīng)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(yīng)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(guān)注，因為200μm的裝配間距幾乎不允許有對位錯誤。造成未對準(zhǔn)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(dāng)芯片(die)貼放到電路板表面時，彎曲的板可能會柔曲。已經(jīng)貼裝在板上的芯片，在剩下的芯片貼裝時，要經(jīng)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(zhǔn)或貼裝單元的升起定位機構(gòu)或傳送帶的突然加速都可能造成芯片移位。
爐的情況：爐內(nèi)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(chǎn)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(yīng)該蒸發(fā)太多，直到元件達(dá)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(chǎn)品專門的定位裝置和對污染的關(guān)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(chǎn)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(xiàn)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(chǎn)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。
