摘要：倒装芯片在产品成本，性能及满足高密度封装等方面 体现出优势，它的应用也渐渐成为主流。由于倒装芯片的 尺寸小，要保证高精度高产量高重复性，这给我们传统的 设备及工艺带来了挑战。

器件的小型化高密度封装形式越来越多，如多模块封装（ MCM ）、系统封装（ SiP ）、倒装芯 片（ FC ， Flip-Chip ）等应用得越来越多。这些 技术的出现更加模糊了一级封装与二级装配之间的界线。毋庸置疑，随着小型化高密度封装的出现，对高速与高精度装 配的要求变得更加关键，相关的组装设备和工艺也更具先进性与高灵活性。
  　由于倒装芯片比 BGA 或 CSP 具有更小的外形尺寸、更小的球径和球间距、它对植球工艺、基板技术、材料的兼容性、制造工艺，以及检查设备和方法提出了前所未有的挑战。

倒装芯片的发展历史

倒装芯片的定义
  　什么器件被称为倒装芯片？一般来说，这类器件具备 以下特点：
  1. 基材是硅；
  2. 电气面及焊凸在器件下表面；
  3. 球间距一般为 4-14mil 、球径为 2.5-8mil 、外形尺寸为 1 -27mm ；
  4. 组装在基板上后需要做底部填充。
  　其实，倒装芯片之所以被称为 “ 倒装 ” ，是相对于传 统的金属线键合连接方式（ Wire Bonding ）与植球后的工艺 而言的。传统的通过金属线键合与基板连接的芯片电气面朝 上（图 1 ），而倒装芯片的电气面朝下（图 2 ），相当于将 前者????矗?食破湮? “ 倒装芯片 ” 。在圆片（ Wafer ） 上芯片植完球后（图 3 ），需要将其翻转，送入贴片机，便于贴装，也由于这一翻转过程，而被称为 “ 倒装芯片 ” 。
倒装芯片的历史及其应用

 

      倒装芯片在 1964 年开始出现， 1969 年由 IBM 发明了倒 装芯片的 C4 工艺（ Controlled Collapse Chip Connection ， 可控坍塌芯片联接）。过去只是比较少量的特殊应用，近 几年倒装芯片已经成为高性能封装的互连方法，它的应用 得到比较广泛快速的发展。目前倒装芯片主要应用在 Wi- Fi 、 SiP 、 MCM 、图像传感器、微处理器、硬盘驱动器、医用传感器，以及 RFID 等方面（图 5 ）。

  　与此同时，它已经成 为小型 I/O 应用有效的互连解决方案。随着微型化及人们已 接受 SiP ，倒装芯片被视为各种针脚数量低的应用的首选方 法。从整体上看，其在低端应用和高端应用中的采用，根 据 TechSearch International Inc 对市场容量的预计，焊球凸点倒装芯片的年复合增长率（ CAGR ）将达到 31% 。
  　倒装芯片应用的直接驱动力来自于其优良的电气性能，以及市场对终端产品尺寸和成本的要求。在功率及电 信号的分配，降低信号噪音方面表现出色，同时又能满足高密度封装或装配的要求。可以预见，其应用会越来越广泛。

倒装芯片的组装工艺流程

一般的混合组装工艺流程
  　在半导体后端组装工厂中，现在有两种模块组装方法。在两次回流焊工艺中，先在单独的 SMT 生产线上组装 SMT 器件，该生产线由丝网印刷机、贴片机和第一个回 流焊炉组成。然后再通过第二条生产线处理部分组装的模块，该生产线由倒装芯片贴片机和回流焊炉组成。底部填 充工艺在专用底部填充生产线中完成，或与倒装芯片生产线结合完成。

倒装芯片的装配工艺流程介绍
  　相对于其它的 IC 器件，如 BGA 、 CSP 等，倒装芯片 装配工艺有其特殊性，该工艺引入了助焊剂工艺和底部填充工艺。因为助焊剂残留物（对可靠性的影响）及桥连的 危险，将倒装芯片贴装于锡膏上不是一种可采用的装配方法。业内推出了无需清洁的助焊剂，芯片浸蘸助焊剂工艺成为广泛使用的助焊技术。目前主要的替代方法是使用免洗助焊剂，将器件浸蘸在助焊剂薄膜里让器件焊球蘸取一 定量的助焊剂，再将器件贴装在基板上，然后回流焊接；或者将助焊剂预先施加在基板上，再贴装器件与回流焊 接。助焊剂在回流之前起到固定器件的作用，回流过程中起到润湿焊接表面增强可焊性的作用。
  　倒装芯片焊接完成后，需要在器件底部和基板之间填充一种胶（一般为环氧树酯材料）。底部填充分为于 “ 毛细流动原理 ” 的流动性和非流动性（ No-follow ）底部填充。
  　上述倒装芯片组装工艺是针对 C4 器件（器件焊凸材料为 SnPb 、 SnAg 、 SnCu 或 SnAgCu ）而言。另外一种工艺是 利用各向异性导电胶（ ACF ）来装配倒装芯片。预先在基板上施加异性导电胶，贴片头用较高压力将器件贴装在基板 上，同时对器件加热，使导电胶固化。该工艺要求贴片机具有非常高的精度，同时贴片头具有大压力及加热功能。 对于非 C4 器件（其焊凸材料为 Au 或其它）的装配，趋向采用此工艺。这里，我们主要讨论 C4 工艺，下表列出的是倒装芯片植球（ Bumping ）和在基板上连接的几种方式。
  　倒装倒装芯片几何尺寸可以用一个 “ 小 ” 字来形容：焊球直径小（小到 0.05mm ），焊球间距小（小到 0.1mm ），外形尺寸小（ 1mm 2 ）。要获得满意的装配良率，给贴装设备及其工艺带来了挑战，随着焊球直径的缩小，贴装精度要求越来越高，目前 12μm 甚至 10μm 的精度越来越常见。贴片设备照像机图形处理能力也十分关键，小的球径小的球间距需要更高像素的像机来处理。
  　随着时间推移，高性能芯片的尺寸不断增大，焊凸（ Solder Bump ）数量不断提高，基板变得越来越薄，为了提高产品可靠性底部填充成为必须。

对贴装压力控制的要求
  　考虑到倒装芯片基材是比较脆的硅，若在取料、助焊剂浸蘸过程中施以较大的压力容易将其压裂，同时细小的焊凸在此过程中也容易压变形，所以尽量使用比较低的贴装压力，一般要求在 150g 左右。对于超薄形芯片，如 0.3mm ，有时甚至要求贴装压力控制在 35g 。
对贴装精度及稳定性的要求
  　对于球间距小到 0.1mm 的器件，需要怎样的贴装精度 才能达到较高的良率？基板的翘曲变形，阻焊膜窗口的尺寸和位置偏差，以及机器的精度等，都会影响到最终的贴 装精度。关于基板设计和制造的情况对于贴装的影响，我们在此不作讨论，这芯片装配工艺对贴装设备的要求
  　里我们只是来讨论机器的贴装精度。为了回答上面的问题，我们来建立一个简单的假设模型：
  1. 假设倒装芯片的焊凸为球形，基板上对应的焊盘为圆形，且具有相同的直径；
  2. 假设无基板翘曲变形及制造缺陷方面的影响；
  3. 不考虑 Theta 和冲击的影响；
  4. 在回流焊接过程中，器件具有自对中性，焊球与润湿面 50% 的接触在焊接过程中可以被 “ 拉正 ” 。
  　那么，基于以上的假设，直径 25μm 的焊球如果其对应的圆形焊盘的直径为 50μm 时，左右位置偏差（ X 轴）或 前后位置偏差（ Y 轴）在焊盘尺寸的 50% ，焊球都始终在焊盘上（图 9 ）。对于焊球直径为 25μm 的倒装芯片，工艺能力 Cpk 要达到 1.33 的话，要求机器的最小精度必须达到 12μm@3sigma 。

  对照像机和影像处理技术的要求
  　要处理细小焊球间距的倒装芯片的影像，需要百万像素的数码像机。较高像素的数码像机有较高的放大倍率， 但是，像素越高视像区域（ FOV ）越小，这意味着大的器件可能需要多次 “ 拍照 ” 。照像机的光源一般为发光二极 管，分为侧光源、前光源和轴向光源，并可以单独控制。倒装芯片的的成像光源采用侧光、前光，或两者结合。
  　那么，对于给定器件如何选择像机呢？这主要依赖图 像的算法。譬如，区分一个焊球需要 N 个像素，则区分球间 距需要 2N 个像素。以环球仪器的贴片机上 Magellan 数码像机为例，其区分一个焊球需要 4 个像素，我们用来看不同的 焊球间隙所要求的最大的像素应该是多大，这便于我们根 据不同的器件来选择相机，假设所有的影像是实际物体尺寸的 75% 。

  　倒装芯片基准点（ Fiducial ）的影像处理与普通基准 点相似。倒装芯片的贴装往往除整板基准点外（ Global fiducial ）会使用局部基准点（ Local fiducial ），此时的基 准点会较小（ 0.15— 1.0mm ），像机的选择参照上面的方 法。对于光源的选择需要斟酌，一般贴片头上的相机光源 都是红光，在处理柔性电路板上的基准点时效果很差，甚至找不到基准点，其原因是基准点表面（铜）的颜色和基 板颜色非常接近，色差不明显。如果使用环球仪器的蓝色光源专利技术就很好的解决了此问题。
吸嘴的选择
  　由于倒装芯片基材是硅，上表面非常平整光滑，最好选择头部是硬质塑料材料具多孔的 ESD 吸嘴。如果选择头部 为橡胶的吸嘴，随着橡胶的老化，在贴片过程中可能会粘连器件，造成贴片偏移或带走器件。
对助焊剂应用单元的要求
  　助焊剂应用单元是控制助焊剂浸蘸工艺的重要部分， 其工作的基本原理就是要获得设定厚度的稳定的助焊剂薄 膜，以便于器件各焊球蘸取的助焊剂的量一致。 要精确稳定的控制助焊剂薄膜的厚度，同时满足高速浸蘸的要求，该助焊剂应用单元必须满足以下要求：
  1. 可以满足多枚器件同时浸蘸助焊剂（如同时浸蘸 4 或 7 枚）提高产量；
  2. 助焊剂用单元应该简单、易操作、易控制、易清洁；
  3. 可以处理很广泛的助焊剂或锡膏，适合浸蘸工艺的 助焊剂粘度范围较宽，对于较稀和较粘的助焊剂都 要能处理，而且获得的膜厚要均匀；
  4. 蘸取工艺可以精确控制，浸蘸的工艺参数因材料的不同而会有差异，所以浸蘸过程工艺参数必须可以单独控制，如往下的加速度、压力、停留时间、向上的加速度等。

对供料器的要求
  　要满足批量高速高良率的生产，供料技术也相当关键。倒装芯片的包装方式主要有这么几种： 2×2 或 4×4 英 JEDEC 盘、 200mm 或 300mm 圆片盘（ Wafer ）、还有 卷带料盘（ Reel ）。对应的供料器有：固定式料盘供料器 (Stationary tray feeder) ，自动堆叠式送料器（ Automated stackable feeder ），圆片供料器（ Wafer feeder ），以及带式供料器。
  　所有这些供料技术必须具有精确高速供料的能力，对于圆片供料器还要求其能处理多种器件包装方式，譬如： 器件包装可以是 JEDEC 盘、或裸片，甚至完成芯片在机器内完成翻转动作。
  　我们来举例说明几种供料器 . Unovis 的裸晶供料器（ DDF Direct Die Feeder ）特点：
  ● 可用于混合电路或感应器、 多芯片模组、系统封装、 RFID 和 3D 装配
  ● 圆片盘可以竖着进料、节省空间，一台机器可以安装多台 DDF
  ● 芯片可以在 DDF 内完成翻转
  ● 可以安装在多种贴片平台上，如：环球仪器、西门子 、安必昂、富士
对板支撑及定位系统的要求
  　有些倒装芯片是应用在柔性电路板或薄型电路板上，这时候对基板的平整支撑非常关键。解决方案往往会用到 载板和真空吸附系统，以形成一个平??闹С偶熬?返亩ㄎ幌低常??阋韵乱?螅?
  1. 基板 Z 方向的精确支撑控制，支撑高度编程调节；
  2. 提供客户化的板支撑界面；
  3. 完整的真空发生器；
  4. 可应用非标准及标准载板。

回流焊接及填料固化后的检查
  　对完成底部填充以后产品的检查有非破坏性检查和破坏性检查，非破坏性的?觳橛?
  ● 利用光学显微镜进行外观检查，譬如检查填料在器件侧面爬升的情况，是否形成良好的边缘圆角，器件表面是否有脏污等
  ● 利用 X 射线检查仪检查焊点是否短路，开路，偏移，润湿情况，焊点内空洞等
  ● 电气测试（导通测试），可以测试电气联结是否有 问题。对于一些采用菊花链设计的测试板，通过通断测试还可以确定焊点失效的位置
  ● 利用超声波扫描显微镜（ C-SAM ）检查底部填充后 其中是否有空洞、分层，流动是否完整破坏性的检查可以对焊点或底部填料进行切片，结合光学显微镜，金相显微镜或电子扫描显微镜和能谱分析仪 （ SEM/EDX ），检查焊点的微观结构，例如，微裂纹 / 微 孔，锡结晶，金属间化合物，焊接及润湿情况，底部填充 是否有空洞、裂纹、分层、流动是否完整等。
  　完成回流焊接及底部填充工艺后的产品常见缺陷有： 焊点桥连 / 开路、焊点润湿不良、焊点空洞 / 气泡、焊点开 裂 / 脆裂、底部填料和芯片分层和芯片破裂等。对于底部填充是否完整，填料内是否出现空洞，裂纹和分层现象，需 要超声波扫描显微镜（ C-SAM ）或通过与芯片底面平行的 切片（ Flat section ）结合显微镜才能观察到，这给检查此 类缺陷增加了难度。
  　底部填充材料和芯片之间的分层往往发生在应力最大 器件的四个角落处或填料与焊点的界面，如左图 13 所示。

总结
  　倒装芯片在产品成本，性能及满足高密度封装等方面体现出优势，它的应用也渐渐成为主流。由于倒装芯片的 尺寸小，要保证高精度高产量高重复性，这给我们传统的 设备及工艺带来了挑战，具体表现在以下几个方面：
  1. 基板（硬板或软板）的设计方面；
  2 ．组装及检查设备方面；
  3 ．制造工艺 , 芯片的植球工艺， PCB 的制造工艺， SMT 工艺；
  4 ．材料的兼容性。
  　全面了解以上问题是成功进行倒装芯片组装工艺的基础。
  　环球仪器 SMT 实验室自 1994 年已成功开发此完整工 艺，迄今我们使用了约 75 种助焊剂和 150 种底部填充材料在 大量不同的基板上贴装了 100,000 个倒装片，进行测试和细致的失效分析，涵盖了广泛的参数范围。
  　环球仪器对于倒装芯片装配的设备解决方案，兼顾了高速和高精度的特点，譬如： DDF 送料器结合 GI-14 平台可 以实现裸芯片进料高速贴装，而 AdVantis XS 平台可以实现精度达 9 微米 3 西格码的贴装（下图）。可以应用这些解决方案实现倒装芯片，系统封装（高混合装配），裸芯片装配及内植器件。