倒装片装配的设备和工艺

     据估计,1998年全球倒装芯片(flip chip)总产量是4至6亿只,其中绝大多数用于低成本的消费电子产品,如计算器和手表。近年来,计算机和通信市场也逐渐对电路板上倒装芯片(FCOB)和倒装芯片封装（FCIP）表现出兴趣,这类高端应用包括微处理器、专用集成电路和微控制器。

    市场研究表明,倒装片已经被列入基础设施。随着技术障碍的克服和一些新材料的面世,未来两三年内,芯片制造将变得更加便宜,市场需求也将扩大。芯片制造行业应准备迎接新的需求热潮。

    建立集成化倒装芯片的批量组装线,必须考虑芯片对高清洁度和高精确定位的要求,同时也要确保组装线适应未来的发展。

    本文将介绍倒装芯片组装的三个主要流程——半导体元器件组装、底层填充和焊球焊接(只适用于FCIP应用),它们各自需要什么样的设备以及工艺流程。

半导体元件组装设备的选择

    半导体元器件组装任务包括：焊锡膏和焊剂的分配、特高精度的重复元件拾取和放置、固化和离线清洗。 有关设备应有能力处理和运送瓷质材料、柔性电路板和多层电路板。组装部分和传送带也应满足上述所有要求。

    假设我们的组装带有电容器,那么不同电容器就有不同的组装方法,如：环氧树脂粘接(epoxy)、低熔点焊接(eutectic solder)、焊球阵列 (bumped array) 的高温焊接及低电感电容器焊接等。焊接材料可采用射流方式也可采用网印方式。如果不安装电容器,就不需要焊料分配,也可减少一台贴装机,从而简化配置。

    由于无法预测将来是否需要装配电容器,因此设备配置应具有高度的灵活性,并能够满足最大生产需求。高精度的多功能组装设备,如既可组装电容器,也可组装倒装芯片的设备就比较理想。尽管这类设备比较贵,但从长远来说是合算的。

    倒装芯片组装对视觉系统的要求非常严格。常用的标准照明系统无法区分金属片和它周围的浅色瓷基,聚酯亚胺柔性电路板也会由于柔性材料与金属层之间对比度差而无法成像。因此组装设备应配备特殊的照明系统。

    组装设备还要求高精度定位。现在采用丝杠(lead screw)驱动的贴装机可以达到200微米精度,但产生的粉尘颗粒比较多,每立方米在15000-20000之间。只有采用线性马达驱动的才能同时满足倒装片组装对精度和清洁度要求,设备生成的粉尘颗粒仅为每立方米558颗粒。

    倒装芯片的贴装速度主要取决于贴片机的主轴数、视觉系统以及送料方式等。半导体芯片的送料方式有窝伏尔组件式(waffle packs)、波浪带式(surf tape)、卷轴式(tape & reel)和大圆片送料器(wafer handler)等。某些情况下,为了速度（微处理器、SDRAM）或者组装高端记忆产品,需要多种芯片,这时应采用窝伏尔组件式传送,在大圆片完好率低于75%时,也应考虑用窝伏尔组件式。在大圆片完好率介于75%至85%之间时,采用大圆片送料器更合适。具体而言,如果组装是在同一工厂完成,75%的大圆片完好率,就可以采用大圆片送料器。如果组装是在另一场地完成,因此需要额外的运输费用时,采用大圆片送料器的大圆片完好率必须超过85%,才能获得理想的性价比。

    回流焊过程中的热分配采用强制对流技术的烘炉。倒装芯片贴装过程中,不同的场地都要通过离心力来控制和保持良好的清洁状态。

工艺流程

    采用低熔点焊接(eutectic)时,焊球中应置有非电镀镍-磷/金镀层,或电镀的铬/铜铬/铜/金、镍矾/铜或钛/铜/金,焊球应该被网印或电镀。在绝缘层上进行的典型低熔点焊接应使用低粘度或低硬度的焊剂,这样就不需要清理。

    在瓷质材料上的倒装片回流焊要求较高的温度,尽管焊剂在高温下易于“焦化”,难以清洁（通常需要一个离线的批量离心清洁器）。基板材料可采用瓷、FR4/BT以及具有微导线的BUM。

底层填充(Underfill)设备和工艺

    倒装片质量是否能够维持长期的稳定性,在很大程度上取决于介于芯片与基板之间填料的质量。底层填料(underfill encapsulant)可降低由热膨胀系数失配引起的焊点定位疲劳张力,从而极大地增强可靠性。分配和固化得当的底层填料能够均匀一致地将定位疲劳压力分散到整个密封部件,使焊点的连接寿命延长30至50倍。

    对底层填料质量影响重大的三个因素是,填料分配量的精确性、芯片和填料液体的温度控制,以及芯片资料数据的管理。“反馈系统”可以有效管理这些变量,并确保底层填料分配适宜。同时应建立一个日志,记录芯片的使用和SPC表。

    控制底层填料流体的流量,关键在于使用准确的流量分配泵。线性排液泵(linear positive displacement pump)使用活塞,可以灵活调整精确的排液量,是比较合适的选择。这种泵在技术上已经有很大改进,非常适合用于分配焊锡膏或其它高粘度流体。低粘度和适用期短的填料则需要一只不受液体粘度影响的精密排液泵。

    “反馈系统”的温度控制也很重要。温度耦合器通过比例积分微分(proportional integral differential)控制仪分析当前温度和以前温度变化率,并提供反馈。在“无照明”生产环境中,该系统必须能够在分配液体之前自动地检测温度,并将这一数据记入SPC生产日志中。

    选择设备还必须考虑加热和冷却的灵活性,以便最大限度地利用热传输机制。热发散式可能适用于底面装有部件的基板,接触式或对流式散热则适用于瓷质或其它元件。填料排放区前后最好使用同样的加热方式,以免出现动作延迟。

    无照明生产环境也需要极敏锐的视觉系统。该系统必须迅速地对元器件的质量作出评估,并准确地分配填料,同时将次品元件记录到生产日志中。由于在一个装配步骤中可能出现多种元件,因此需要先进的视像算法软件。采用可编程的照明系统是在填料分配前对元件进行检测的唯一手段。

    组装FCIP时,常包括诸如热界面材料发送和密封剂的分配与固化等步骤。这些分配过程,可以通过改进反馈系统控制方法加以管理。如果所有的反馈系统控制都恰到好处,生产量可高达每小时500至1000件。

焊球焊接(只适用于FCIP封装)设备选择

    倒装芯片的普及使封装的尺寸越来越小、密度越来越大。这一趋势直接影响到焊球焊接的生产工艺和设备。最主要的影响因素包括材料的选择、精度、高密度和球面尺寸变小等。

    封装中的输入/输出端口越多,基板结构也就越复杂,基板的材料也因而更加重要。它对设备性能和基板质量都有影响。所以在选择组装设备时必须考虑是否适应不同基板的要求。采用视觉定位可以使组装设备灵活地改变定位系统的设置,满足局部和整个基板的不同定位需要。多数先进的焊球焊接机器都能完成分步重复操作,从而使局部的可变因素降到最少。这种设备适用于高精度的球面——平面定位,而不适于对整个基板的均分定位。

    设备选择还要考虑组装的是一组元件还是单件元件。因为单件元件要求焊球焊接设备能够适应不同的元件特性,确保不同的元件都能准确地定位。

工艺流程

    综合排列式(inline)流程可以使焊球焊接的效果达到最佳,因为这种工艺流程把材料传送、组装及处理设备的优势紧密结合在一起,包括基板传送、焊剂分配、焊球焊接、回流焊和清理等。根据基板的传送方式还可增加其它配置。

    在瓷质基板的焊球焊接中,焊接球面通常有一个高含锡层,以调整封装裸露造成的热分配不足。该球面通过低温焊浆与基板相连,焊锡膏同时排放到底板和球面上。高锡球面可直接放置在有焊锡膏的基板上,完成焊球焊接。

    塑料基板的焊球焊接可使用集体注射(pin transfer)方法,将一滴焊剂注射在基板的焊接盘上（可以一次性地向所有的焊接点注射焊剂,也可以分步重复此操作）,然后放上要焊接的焊球。在这里也使用视觉定位,方法与上同。可以改变注射针的形态和焊剂注射深度来改变注射量和注射位置。