芯片贴放

By Steve Shermer with Kevin Gaffney

本文介绍，后端工序：芯片放置 (Die placement) 。

　　封装中倒装芯片 (FCIP, flip-chip in packaging) 的扩大的增长率继续给倒装芯片装配 (FCA, flip-chip attach) 设备供货商带来新的挑战。在决定哪台机器最适合装配需求的时候，芯片处理 (die handling) 相对于尺寸、锡球合金 / 尺寸和间距、以及封装的处理是重要的因素。满足那些装配需求是重要的，因为倒装芯片封装，作为一种芯片贴装方法，继续在 IC 工业享有重大增长。在 1999 年， FCIP 发货总数为 149,000 个单位。预计从 1999 年到 2004 年， FCIP 发货总数达到 86.9% 的结合平均增长率 1 。这将继续推动在倒装芯片安装设备市场的设备供货商创新与改进。

普通倒装芯片封装
　　倒装芯片的芯片规模封装 (CSP, chip scale package) 通常是以矩阵条的形式处理的，而高性能零件是在载体或“船”中处理的。传统的 CSP 条状形式每条含有 8~10 个单元， CSP 芯片尺寸范围从 2.5~ 11 mm 2 。高性能芯片尺寸范围从 11~ 26mm 2 ，封装的变化从 23~ 50mm 2 。

芯片处理 (Die handling)
　　倒装芯片安装机器需要能够处理以各种形式出现的芯片。窝伏尔组件 (Waffle pack) 、卷带供料器 (tape feeder) 和晶圆环 (wafer ring) 是其中最普遍的形式，它们每一个都有优点和局限。
窝伏尔组件 (Waffle pack) ：允许组装已知好芯片 (KGD, known good die) 的封装。这减少了将电器上有问题的芯片放入电器上好的封装内。纵横比 (aspect ratio) 或者芯片尺寸相当于窝伏尔组件 (Waffle pack) 的凹坑尺寸应该紧密控制，以减少处理期间芯片的移动。理想地，在 X 与 Y 轴上，凹坑的尺寸应该不大于芯片尺寸的百分之十。在高产量装配中使用窝伏尔组件 (Waffle pack) 的限制条件是相对很少芯片可以放在或者 2" 或者 4" 的窝伏尔组件 (Waffle pack) 内。芯片越大，越少可以放在组件内，它导致经常性的机器装料。最后，使用窝伏尔组件 (Waffle pack) 在芯片安装工序之前产生一个额外的工序，芯片拣选 / 拾取和放置。
卷带供料器 (tape feeder) ：以卷带供料器给与芯片安装机器的芯片对于芯片安装工艺的优点类似于窝伏尔组件 (Waffle pack) 方法。卷带供料器的使用通常解决 KGD 的问题，可适合于那些装备用倒装芯片贴装但不能处理晶圆 (wafer) 的 SMT 机器。同样，卷带供料的芯片要求在芯片安装之前的芯片拣选 / 拾取与贴装工艺。
晶圆环 (wafer ring) ：粘贴在带上供给机器的晶圆和晶圆环也许是最普遍的芯片供给形式，特别是在传统的芯片安装工艺中。该方法通常最适合于高产量装配。它也要求对有关芯片排出 (die-eject) 优化的严密注意。芯片排出针和芯片排出帽需要仔细挑选，以实现一个稳定的排出工艺。其它参数，诸如针尾高度和排射速度，需要检定。如果这些参数不考虑，芯片破裂、微裂纹和误拾可能会发生。

芯片排出 (Die Ejecting)
　　为了从晶圆带上成功地排出芯片，关键是定制排出冲头 (eject chuck)( 或帽 ) 的尺寸和正确地将排出针 (eject needle) 间隔到芯片尺寸。作为一般原则，针的周长间隔应该不小于芯片周长的 80% ，并且总是有一根针在中央位置 ( 图一 ) 。
　　 针的选择是排出工艺的另一个关键方面。带尖刺的针可能刻伤芯片的背面，这可能导致裂纹。在顶尖有一个半径的排出针应该不会刺伤卷带，因此消除这个问题。可是，通常需要两阶段的排出工艺。图 2a 说明初始的排出针位置。通过机器软件增加一个短暂延时，以允许带从芯片的角上剥离。当围绕顶针周围的带仍保持与芯片接触时，针可以升到编程的最后位置，芯片拾取工序可以完成 ( 图 2b) 。较大的芯片要求较长的延时来等待卷带从边缘剥离。

芯片拾取 (Die Picking)
　　拾取工具按照顶针的材料来选择，应该为芯片定制尺寸。完全排列的倒装晶圆 (flip chip) 的芯片 (die)( 芯片顶面全部放置了锡球 ) 要求一个柔顺的接触表面，以维持真空。这通常是对于大的芯片 ( 大于 10mm 2 ) 。
　　 周围排列锡球的芯片允许用户选择硬顶尖的工具，它可加速在较小芯片上贴装期间的芯片粘贴。材料必须是防静电的，因此不会伤害到电路。

视觉系统 (Vision Systems)
　　对于视觉识别的一个关键考虑是用来看基准点的光波长度。在 IC 封装中使用的材料有很多：陶瓷、金属、聚合物和半导体。每一种材料都有独特的反射和反射特性。实际上，当要识别在晶圆或基板上的独特图案时，这就变成范围很宽的对比度、亮度和光泽因素。在许多情况中，简单地调节摄像机上的机械设定 ( 亮度、 f-stop 、入射光角度、光圈 ) 不足以把基准点从背景中分辨出来。光的波长的实际改变，如从白光到红光，可能需要来保证准确的基准点定位。图三显示以相同的光设定的不同 LED 颜色怎样影响芯片的照明及其视觉出来。

上助焊剂的系统 (Fluxing Systems)
　　倒装芯片锡球与焊盘上助焊剂的方法也可能不同。典型的方法是盖印助焊剂 (stamp fluxing) 、印刷助焊剂 (print fluxing) 、和滴涂助焊剂 (dispense fluxing) 。同样，每个方法有其优点和缺点。不仅要考虑所希望的上助焊剂媒介的材料特性，而且要考虑与每种工艺相联系的设备投资和工艺时间。另外，每个锡球的助焊剂用量和助焊剂作用的总的表面面积对下游工序和最终产品的可靠性有重要的影响。甚至助焊剂标榜为“免洗”助焊剂，一个设计差劲的上助焊剂工艺可能会使助焊剂的“免洗特性毫无作用。
盖印助焊剂 (stamp fluxing) ：在这种方法中，一个小的托盘放在 FCA 机器内面。助焊剂放入托盘，一把医用刀片用来将助焊剂平衡到所希望的高度。随着每个芯片从供料器拾取，它移动到助焊剂托盘，下降到助焊剂托盘内或“盖印”一下，然后贴放在基板上。该方法的优点是使用简单的设备在芯片锡球上上助焊剂，并集成在 FCA 工艺中。主要缺点是助焊剂高度的精度，因为很少简单而可靠的集成方法用来测量托盘内助焊剂的厚度。
印刷助焊剂 (print fluxing) ：助焊剂的印刷方法是标准的丝印 (screen printing) 工艺。一个模板放在基板的几个 mil 之内，一把刮刀推动一定数量的助焊剂从模板刮过。因此助焊剂沈积在模板开孔的基板上。该方法可以迅速在许多的芯片座上助焊剂，但要求上游设备和工序。与盖印方法一样，精确测量助焊剂的量是困难的。
滴涂助焊剂 (dispense fluxing) ：滴涂也许是分配助焊剂的最不复杂的方法，但它也可能对可靠性有最大的负面影响。在该方法中，液体助焊剂滴在每个倒装芯片座的中央。然后助焊剂在基板面上流出，在每个焊盘上上助焊剂。该方法的设备是简单的气压注射器，它可直接集成在 FCA 设备内。工艺时间最低限度地取决于贴装步骤顺序如何编程和设备的并行能力。该方法的一个主要缺点是，助焊剂的量大大地超过要求覆盖接合焊盘的理论最小量。另外，助焊剂可能以不想要的方式作用倒装芯片系统。例如，阻焊层可能吸收助焊，它会在后面的工序中挥发，再重新沈积在芯片表面上。过多的助焊剂可能在回流期间结晶，造成表面污染。
 

芯片贴装精度 (Die Placement Accuracy)
　　倒装芯片装配的一个重要特性是倒装芯片组件可以在锡球回流期间“自我对准”的能力。当锡球达到液化状态，由液体焊锡熔湿 (wetting) 接合焊盘所产生的力量足以将组件拉到与接合焊盘的完美对中。由于这个理由，倒装芯片组件的初始贴装有比原先预想的稍微较大的公差。按照焊盘尺寸的百分比，倒装芯片的锡球可以与接合焊盘的中心误差达到 25% 。这个误差的绝对值取决于焊盘与锡球的直径，因为大的锡球有较大的贴装公差。大多数今天的 FCA 系统能够达到± 10 µ m 或更好的贴装可重复性。

生产率 (Productivity)
　　芯片的贴装率一般是机器精度与构造以及工艺步骤的产物。一部高精度机器 ( 低于 10 微米 ) 依靠通过机器软件的运动控制设定来达到更准确和可预计的贴装点位置。这些额外的运算增加轴的运动时间，这是一个取决于机器实际工作区域的问题。
　　 许多表面贴装机器已经重新装备了倒装芯片的贴装能力。典型地， SMT 机器具有生产相对于比微电子封装大的印刷电路板 (PCB) 。大的工作区域即要消耗 X-Y 运动的时间，从而影响生产率。 PCB 处理能力也将影响机器的占地面积 (footprint) 。 10,000 级的清洁室内装配车间的单位成本比 SMT 装配车间贵许多。最后，集成上助焊剂能力的机器通常将增加每个芯片贴装的时间 1~2 秒。这个额外的工艺时间必须考虑，并与上游上助焊剂系统及有关成本一起衡量。

总结
　　 随着倒装芯片封装继续在半导体工业中的数量增长，贴装机器必须满足硅芯片尺寸、类型和封装构造的需求。这些因素，与机器占地面积、生产率、工艺能力和芯片出现的形式一起，都是选择设备的考虑条件。朝前看，随着锡球技术的进步，锡球尺寸与间距的减少，机器精度和芯片识别能力也将是考虑因素。