據(jù)估計,1998年倒裝芯片(flip chip)總產(chǎn)量是4至6億只,其中絕大多數(shù)用于低成本的消費電子產(chǎn)品,如計算器和手表。近年來,計算機和通信市場也逐漸對電路板上倒裝芯片(FCOB)和倒裝芯片封裝（FCIP）表現(xiàn)出興趣,這類高端應用包括微處理器、專用集成電路和微控制器。

      市場研究表明,倒裝片已經(jīng)被列入基礎設施。隨著技術(shù)障礙的克服和一些新材料的面世,未來兩三年內(nèi),芯片制造將變得更加便宜,市場需求也將擴大。芯片制造行業(yè)應準備迎接新的需求熱潮。

      建立集成化倒裝芯片的批量組裝線,必須考慮芯片對高清潔度和高定位的要求,同時也要確保組裝線適應未來的發(fā)展。

      本文將介紹倒裝芯片組裝的三個主要流程——半導體元器件組裝、底層填充和焊球焊接(只適用于FCIP應用),它們各自需要什么樣的設備以及工藝流程。

半導體元件組裝設備的選擇

      半導體元器件組裝任務包括：焊錫膏和焊劑的分配、特高的重復元件拾取和放置、固化和離線清洗。 有關(guān)設備應有能力處理和運送瓷質(zhì)材料、柔性電路板和多層電路板。組裝部分和傳送帶也應滿足上述所有要求。

      假設我們的組裝帶有電容器,那么不同電容器就有不同的組裝方法,如：環(huán)氧樹脂粘接(epoxy)、低熔點焊接(eutectic solder)、焊球陣列 (bumped array) 的高溫焊接及低電感電容器焊接等。焊接材料可采用射流方式也可采用網(wǎng)印方式。如果不安裝電容器,就不需要焊料分配,也可減少一臺貼裝機,從而簡化配置。

      由于無法預測將來是否需要裝配電容器,因此設備配置應具有高度的靈活性,并能夠滿足生產(chǎn)需求。高的多功能組裝設備,如既可組裝電容器,也可組裝倒裝芯片的設備就比較理想。盡管這類設備比較貴,但從長遠來說是合算的。

      倒裝芯片組裝對視覺系統(tǒng)的要求非常嚴格。常用的標準照明系統(tǒng)無法區(qū)分金屬片和它周圍的淺色瓷基,聚酯亞胺柔性電路板也會由于柔性材料與金屬層之間對比度差而無法成像。因此組裝設備應配備特殊的照明系統(tǒng)。

      組裝設備還要求高定位?，F(xiàn)在采用絲杠(lead screw)驅(qū)動的貼裝機可以達到200微米,但產(chǎn)生的粉塵顆粒比較多,每立方米在15000-20000之間。只有采用線性馬達驅(qū)動的才能同時滿足倒裝片組裝對和清潔度要求,設備生成的粉塵顆粒僅為每立方米558顆粒。

      倒裝芯片的貼裝速度主要取決于貼片機的主軸數(shù)、視覺系統(tǒng)以及送料方式等。半導體芯片的送料方式有窩伏爾組件式(waffle packs)、波浪帶式(surf tape)、卷軸式(tape & reel)和大圓片送料器(wafer handler)等。某些情況下,為了速度（微處理器、SDRAM）或者組裝高端記憶產(chǎn)品,需要多種芯片,這時應采用窩伏爾組件式傳送,在大圓片完好率低于75%時,也應考慮用窩伏爾組件式。在大圓片完好率介于75%至85%之間時,采用大圓片送料器更合適。具體而言,如果組裝是在同一工廠完成,75%的大圓片完好率,就可以采用大圓片送料器。如果組裝是在另一場地完成,因此需要額外的運輸費用時,采用大圓片送料器的大圓片完好率必須超過85%,才能獲得理想的性價比。

      回流焊過程中的熱分配采用強制對流技術(shù)的烘爐。倒裝芯片貼裝過程中,不同的場地都要通過離心力來控制和保持良好的清潔狀態(tài)。

工藝流程

      采用低熔點焊接(eutectic)時,焊球中應置有非電鍍鎳-磷/金鍍層,或電鍍的鉻/銅鉻/銅/金、鎳礬/銅或鈦/銅/金,焊球應該被網(wǎng)印或電鍍。在絕緣層上進行的典型低熔點焊接應使用低粘度或低硬度的焊劑,這樣就不需要清理。

      在瓷質(zhì)材料上的倒裝片回流焊要求較高的溫度,盡管焊劑在高溫下易于“焦化”,難以清潔（通常需要一個離線的批量離心清潔器）。基板材料可采用瓷、FR4/BT以及具有微導線的BUM。

底層填充(Underfill)設備和工藝

      倒裝片質(zhì)量是否能夠維持長期的穩(wěn)定性,在很大程度上取決于介于芯片與基板之間填料的質(zhì)量。底層填料(underfill encapsulant)可降低由熱膨脹系數(shù)失配引起的焊點定位疲勞張力,從而極大地增強可靠性。分配和固化得當?shù)牡讓犹盍夏軌蚓鶆蛞恢碌貙⒍ㄎ黄趬毫Ψ稚⒌秸麄€密封部件,使焊點的連接壽命延長30至50倍。

      對底層填料質(zhì)量影響重大的三個因素是,填料分配量的性、芯片和填料液體的溫度控制,以及芯片資料數(shù)據(jù)的管理?！胺答佅到y(tǒng)”可以有效管理這些變量,并確保底層填料分配適宜。同時應建立一個日志,記錄芯片的使用和SPC表。

      控制底層填料流體的流量,關(guān)鍵在于使用準確的流量分配泵。線性排液泵(linear positive displacement pump)使用活塞,可以靈活調(diào)整的排液量,是比較合適的選擇。這種泵在技術(shù)上已經(jīng)有很大改進,非常適合用于分配焊錫膏或其它高粘度流體。低粘度和適用期短的填料則需要一只不受液體粘度影響的精密排液泵。

      “反饋系統(tǒng)”的溫度控制也很重要。溫度耦合器通過比例積分微分(proportional integral differential)控制儀分析當前溫度和以前溫度變化率,并提供反饋。在“無照明”生產(chǎn)環(huán)境中,該系統(tǒng)必須能夠在分配液體之前自動地檢測溫度,并將這一數(shù)據(jù)記入SPC生產(chǎn)日志中。

      選擇設備還必須考慮加熱和冷卻的靈活性,以便限度地利用熱傳輸機制。熱發(fā)散式可能適用于底面裝有部件的基板,接觸式或?qū)α魇缴釀t適用于瓷質(zhì)或其它元件。填料排放區(qū)前后使用同樣的加熱方式,以免出現(xiàn)動作延遲。

      無照明生產(chǎn)環(huán)境也需要極敏銳的視覺系統(tǒng)。該系統(tǒng)必須迅速地對元器件的質(zhì)量作出評估,并準確地分配填料,同時將次品元件記錄到生產(chǎn)日志中。由于在一個裝配步驟中可能出現(xiàn)多種元件,因此需要先進的視像算法軟件。采用可編程的照明系統(tǒng)是在填料分配前對元件進行檢測的手段。

      組裝FCIP時,常包括諸如熱界面材料發(fā)送和密封劑的分配與固化等步驟。這些分配過程,可以通過改進反饋系統(tǒng)控制方法加以管理。如果所有的反饋系統(tǒng)控制都恰到好處,生產(chǎn)量可高達每小時500至1000件。

焊球焊接(只適用于FCIP封裝)設備選擇

      倒裝芯片的普及使封裝的尺寸越來越小、密度越來越大。這一趨勢直接影響到焊球焊接的生產(chǎn)工藝和設備。主要的影響因素包括材料的選擇、、高密度和球面尺寸變小等。

      封裝中的輸入/輸出端口越多,基板結(jié)構(gòu)也就越復雜,基板的材料也因而更加重要。它對設備性能和基板質(zhì)量都有影響。所以在選擇組裝設備時必須考慮是否適應不同基板的要求。采用視覺定位可以使組裝設備靈活地改變定位系統(tǒng)的設置,滿足局部和整個基板的不同定位需要。多數(shù)先進的焊球焊接機器都能完成分步重復操作,從而使局部的可變因素降到少。這種設備適用于高的球面——平面定位,而不適于對整個基板的均分定位。

      設備選擇還要考慮組裝的是一組元件還是單件元件。因為單件元件要求焊球焊接設備能夠適應不同的元件特性,確保不同的元件都能準確地定位。

工藝流程

      綜合排列式(inline)流程可以使焊球焊接的效果達到,因為這種工藝流程把材料傳送、組裝及處理設備的優(yōu)勢緊密結(jié)合在一起,包括基板傳送、焊劑分配、焊球焊接、回流焊和清理等。根據(jù)基板的傳送方式還可增加其它配置。

      在瓷質(zhì)基板的焊球焊接中,焊接球面通常有一個高含錫層,以調(diào)整封裝裸露造成的熱分配不足。該球面通過低溫焊漿與基板相連,焊錫膏同時排放到底板和球面上。高錫球面可直接放置在有焊錫膏的基板上,完成焊球焊接。

      塑料基板的焊球焊接可使用集體注射(pin transfer)方法,將一滴焊劑注射在基板的焊接盤上（可以性地向所有的焊接點注射焊劑,也可以分步重復此操作）,然后放上要焊接的焊球。在這里也使用視覺定位,方法與上同?？梢愿淖冏⑸溽樀男螒B(tài)和焊劑注射深度來改變注射量和注射位置。

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