摘 要：随着Flip-Chip技术的应用不断增长，掌握Flip-Chip在贴装焊接方面的工艺要求是极其重要的。

关键词：Flip-Chip，SMT

1.           引 言

你已经目睹这个事实;手机,PDA数字照相机等电子产品正朝着小型化,高速化,智能化方向发展，为此电子封装与组装技术必须与之相适应。在材料，设备性能及制造过程方面的改进，使得许多EMS公司将现有的标准SMT技术扩展进入先进组装技术领域（例如；Flip-Chip技术）。越来越多的电子产品设计趋向更小型化，操作速度更快，功能更强；Flip-Chip技术应用正加速扩大，成为标准SMT技术的一部分。

从板级组装到器件组装使用Flip-Chip技术，如Flip-ChipBGA，SIP模块等一些变化因素似乎不明显。然而互连应力差别，材料的不相容及工艺流程的改变，无论你在产品设计或新产品中必需采用Flip-Chip技术，无论你决定将Flip-Chip技术纳入公司具有的竞争能力之内，那么，了解掌握Flip-Chip技术的在贴装焊接方面的工艺要求是极其重要的。

2.  Flip-Chip技术

Flip-Chip技术有几种形式,每一种有许多变化及应用。例；电路板或基板类型的需满足产品的技术要求，有机，陶瓷或柔性基板的选用也决定组装使用的材料如凸点类型，焊剂，底部充填及加工设备等。制造厂必须确定适应的工艺，为满足将来产品要求及需要的资源开发与研究，尽可能低的资金投入及操作成本。最容易与现有的SMT工艺相接，最通用最好的形式是焊料凸点Flip-Chip组装工艺。下文将详细作一介绍。既使组装工艺存在许多变量，但必须保证可加工性，可靠性及制造成本目标的实现。如今广泛使用的各种Flip-Chip形式，主要由互连结构定义的。例如导电聚合物或镀金聚合物/弹性体凸点（引脚）。凸点植置可采用焊球焊接（初期使用引线键合）或电镀工艺，然后使用各向同性导电胶或各向异性导电胶组装。焊料凸点制作包括蒸发，电镀，化学镀，模板印刷及喷射等方法。按照互连的形式选择焊接或键合的工艺；再流焊，热压超声，热压，Transient-liquid-phase bonding。

上面提到的多种焊接或键合工艺各有其特点及用途，都是由使用对象的要求所确定。但为了将这些工艺能溶入标准SMT工艺过程中，焊料Flip-Chip组装工艺是最通用的，而且实践证明与SMT完全相容。

3.  焊料Flip-Chip

常用的焊料Flip-Chip组装工艺过程(图 1)由图示几个主要工序组成;焊剂涂布,芯片贴装,焊料再流焊接,芯片底部充填。为保证Flip-Chip组装的成功与可靠，其他一些过程指南及要求也必须掌握。一个产品的成功首先从设计开始。

图 1 Flip-Chip组装工艺流程

 

设计第一个因素是焊料凸点（焊料合金）与底部凸点的结构。目的是使得与互连或IC连接点间的应力减小到最低程度。若互连设计正确，那么在焊接过程所产生的缺陷可使用可靠性模型进行予测。这样通过正确设计IC焊接点的结构实现，其钝化层/聚酰亚胺膜层的窗口及底部凸点的金属结构 （UBN）。钝化层窗口的设计应做到电流密度减少，极小的应力集聚区。改善电迁移周期，最大的UBN剖面及焊料合金。

凸点位置的布局是另一个因素。焊料凸点的布局尽可能对称。设置排列方向的特证标识（通常免去一个角上的凸点）布局应满足下道晶圆的切割工序不受到干扰。在IC有源区上的凸点应服从IC电敏感性或IC电路的要求。还有其他一些IC设计因素，晶圆凸点制作公司有专门的IC接点及布局的设计指南，来保证凸点的可靠性，实现互连的可靠稳定。

板级设计的主要因素包括；金属盘及阻焊膜窗口的尺寸。首先，要形成牢固的焊点，重要的是板上的焊接盘湿润面积尽可能大，但是这个尺寸必须与芯片底部凸点相匹配，这样有助于形成对称的互连，防止互连的一端显示比其他部位高得多的应力。实际上，板上焊接盘的尺寸一般比凸点略小，使得焊点应力趋向于板上，不是在易损的IC芯片上。板焊接盘湿润区面积可由阻焊膜窗口的正确设计进行控制。

（图 2所示）

图 2 Flip-Chip组装各种阻焊膜窗口设计

 

焊接盘设计有阻焊膜定义与非阻焊膜定义两种，将这两种设计组合可提供更高的可靠性，在印制板的导线上复盖一个矩形窗口，构成一个弥补阻焊膜定义窗口尺寸公差缺陷的复合窗口，于是就得到一个完美的焊接盘。当环境发生变化或受到外界机械应力，在IC一边就会产生疲劳裂缝。芯片底部充填也能增加Flip-Chip器件互连的可靠性。但是不按照正确的设计，疲劳裂缝同样会产生。

4.           晶圆植球与切割

焊料凸点(球引脚)是IC芯片与印制板间的电学,机械及热学的连接.在常用的Flip-Chip器件中,互连是通过凸点与

                图 3 Flip-Chip焊料凸点及UBM盘剖面

                              

UBM是复叠晶圆上以防止IC底层电路受到外界环境变化的影响,用作焊料凸点的底层,UBM与晶圆金属及锐化层材料有良好的接合力,可作为焊料合金与IC连接点金属间的阻挡层,以及为焊接提供抗氧化及湿润的焊接面。要使得芯片底层电路的应力最小，UBM材料的复叠是重要的。

综上所述，焊料凸点制作工艺有蒸发沉积工艺，在晶圆上溅射一层金属过渡层复盖阻焊膜或采用光刻工艺形成UBM，接下蒸发铅锡层再流形成球形凸点，这种工艺适于高铅凸点（与共晶焊料相比），可用在能承受高温的陶瓷基板。但在SMT工艺使用有机印制板时，高铅凸点可使用共晶焊料焊接形成互连。

低成本的凸点互连工艺，通常采用电镀或模板印唰（与溅射或化学镀UBM组合），凸点的成本要比蒸发工艺低，在IC芯片上使用共晶焊接，省去溅射等高成本工艺。其他焊料合金如无铅焊料，高铅及低α焊料都得到应用。

化学镀工艺；在IC芯片上光刻形成窗口后，溅射UBM材料复盖在晶圆上，焊料合金化学镀在窗口内生成可焊层，剥离阻焊层，暴露的UBM层被可蚀，晶圆再流形成球形凸点。

另一种常见的工艺是模板印刷工艺，将焊膏印刷在UBM（溅射或化学镀）图形上，送入焊炉再流焊形成球形凸点。最终凸点高度的控制是保证组装高产能的重要因素。对凸点焊接过程的监测分析显示，缺陷始终发生在焊接处，不可能在UBM或底层电路的接点上。

晶圆片的切割工艺是后道器件组装的第一步工序，将晶圆完整分离成单独的芯片。金刚石磨料刀片沿芯片IC有效区间进行切割，旋转速度为60,000rpm,去离子水直指向切割方向喷射,提高切割质量延长旋转刀片的使用寿命。要使分立IC芯片极少的切片缺陷这是很重要的。顶面切割面积可接近芯片的有效区，背面切割对Flip-Chip是特别有损害的。边沿裂缝及背面切割的芯片在受到热或机械应力下，经常会扩展，导致器件早期的缺陷。

5.           焊剂涂布/贴片/再流焊

晶圆被切割后,被切的芯片仍可保留在晶圆上,或分离后放入华夫盘,凝胶包装,或卷带包装。Flip-Chip 的贴片设备必须具有图象显示的装他载能力。华夫盘包装用于小批量。配有晶圆台的贴片设备对大批量组装是最好的选择。

Flip-Chip组装工艺过程从焊剂涂布开始。有几种焊剂涂布的方法，浸涂，点印，模板印刷及喷涂。每种工艺有其优点及应用的场合。焊剂或粘接剂的浸涂装置通常用在贴片设备上。这种工艺的优点是在芯片凸点上定位浸涂焊剂。

控制浸涂盘上焊剂的高度及盘转动的速度就能保证焊剂量的一致性。点印工艺需要严格控制点胶量及重复性。模板印刷工艺适用大批量制造，但需要配置印刷工艺设备。除了选用的工艺外，必须考虑的是材料特性及芯片贴片时焊剂的相容性。

在焊剂涂布后，可采用多头，高速贴片系统或高精度贴片机从上面所述包装中吸持芯片器件。为满足半导体后道封装与EMS的需要，如新一代Siemes SiPlace HF贴片机具有在大面积上高精度高速贴片的功能。高精度的摄像系统用于芯片基准的对准定位。正确的芯片吸持，准确对位及重复性是贴片机的关键参数。一般Flip-Chip贴片机的精度为凸点间距的10%，尽量减少因传送或转动所造成的影响是关键。为在宽松的工艺窗口制造Flip-Chip器件，对每个芯片的各个参数包括芯片尺寸，凸点间距，凸点高度及凸点数量等的工艺能力因素已进行广泛的研究。贴片机真空吸嘴的选用应根据芯片尺寸，凸点的布局（全阵列/周边变异阵列）真空吸嘴吸持芯片，翻片及贴片到位。若吸嘴的硬度与一致性是正确的。就不会损坏芯片。在卷带或华夫盘内存放的芯片是倒置的，简单地吸持，对准，贴片就可完成全部组装过程。

在送入再流焊工序之前，防止已贴芯片的移位，传送装载外加力应小，因此再流焊工艺组合在SMT流水线内，热风对流，具有强制热风对流的红外或热导的多温区再流焊炉。为保证正确的焊点再流焊接，炉内的气氛及温度控制是十分严格的。加热工艺曲线的关键是焊料液相以上的时间，峰值温度，升温速度，保温时间及保温温度冷却速度及对流热风流量等。正确的加热工艺曲线（指芯片底部热电偶测得的温度）是防止基板损坏，焊点气孔，焊球形成的基本因素。焊剂的相容性，活性及热转换的均匀也是基本的因素。

6.           芯片底部充填工艺

芯片再流焊后,在芯片底部与基板间充填工艺可增加互连的可靠及牢固。常用的冲填工艺有；在再流焊后点滴充填材料

成功充填工艺的关键因素是底部充填材料的特性（Tg，CTE）点滴量，点滴图形， 基板温度及底部材料流动的机理，通常底部材料流动依赖于芯片尺寸，形状，凸点布局，间隙大小，底部充填材料的粘度，芯片与基板表面张力及底部材料的湿润角。充填点滴的图形可由芯片单边也可绕芯片两边进行充填点滴。

点印设备的点胶顶针的尺寸，从芯片边沿到点滴位置的距离，点胶顶针离基板面的高度，点胶速度及其他工艺因素必须加以控制。

图 4 Flip-Chip底部充填的气孔

 

使用C-mode声波扫描显微镜观察充填材料流动图形及气孔或脱层等缺陷，对Flip-Chi组装的可靠是极为重要的。充填材料从芯片底部或基板间脱层在湿度或温度的作用下加速，造成高应力聚集，焊点的过早失效。

充填材料的固化可使用流水线加热炉或箱式加热炉，控制加热炉的温度均匀性，固化时间及气氛是重要的工艺参数。成功制造及是使用Flip-Chip技术有许多因素；设计，工艺，设备及材料，为满足Flip-Chip技术日益增长的产品需要，必须认真对对待这每一个因素。