對較小外形和較多功能的低成本電子設(shè)備的需求繼續(xù)在增長。這些快速變化的市場挑戰(zhàn)著電子制造商，降低制造成本以保證可接受的利潤率。倒裝芯片裝配(flip chip assembly)被認(rèn)為是推進(jìn)低成本、高密度便攜式電子設(shè)備的制造所必須的一項(xiàng)技術(shù)。

在低成本應(yīng)用中，倒裝芯片的成功是因?yàn)樗蛇_(dá)到相對于傳統(tǒng)表面貼裝元件包裝更大的成本效益。例如，一款新的尋呼機(jī)利用了倒裝芯片技術(shù)將微控制器裝配于PCB，因?yàn)榈寡b芯片使用較少的電路板空間，比傳統(tǒng)的塑料球柵陣列(PBGA, plastic ball grid array)成本較低。

材料

集成電路(Integraded circuit)

在這款尋呼機(jī)中的集成電路(IC, integrated circuit)是一個5 x 5.6 mm 的微控制器，要求100個輸入/輸出(I/O)連接于PCB。將四周I/O重新分配為2.5排減少點(diǎn)數(shù)(depopulated)的球柵陣列形式來接納PCB的線/空格以及通路孔焊盤的限制。錫球(bump)布局與間距如圖一所示。

使用了電鍍共晶錫/鉛錫球，因?yàn)榕c其它的替代者比較，它的成本低得多。錫球的直徑大約為125 µm，球下金屬(UBM, under bump metalization)為一個顧客要求的45µm的銅柱，如圖二。

印刷電路板(PCB, printed circuit board)

成本因素決定這款尋呼機(jī)的PCB的布局。PCB是標(biāo)準(zhǔn)的FR-4，四個金屬層和一個無電鍍鎳/金表面涂層。由于增加材料成本和有限的可獲得性，所以沒有使用高密度互連(HDI, high-density interconnect)技術(shù)。無電鍍鎳/金表面涂層滿足所有產(chǎn)品的要求?，F(xiàn)場可靠性問題排除了選擇有機(jī)可焊性保護(hù)層(OSP, organic solderability preservative)，選擇性鎳-金的成本增加也沒有吸引性。

最低成本的PCB供應(yīng)商的工藝能力限制板的密度為100µm線/空和0.5mm的通路孔焊盤。因此，所有通路孔(via)都是通孔(through-hole)型，避免盲孔(blind via)的成本增加。這些限制和阻焊層公差決定IC的分布形式、錫球尺寸和裝配間距，并定義芯片貼放要求。

限制通路孔的焊盤尺寸為最小的0.5mm，意味著芯片(die)底下只能放13個通路孔(via)剩下的I/O不得不用100µm的線與空在基板頂面走出去。只使用定面金屬層來布線剩下的87個I/O，這給IC的重新分布形式定下了一個標(biāo)準(zhǔn)。100µm線與空的設(shè)計要求將最終裝配間距固定在200µm(圖三)。

阻焊層(soldermask)的設(shè)計與工藝限制對直接芯片安裝 (DCA, direct chip attachment)的裝配過程是關(guān)鍵的。必須控制電鍍共晶錫球的熔濕(wet)，以防止回流期間焊接點(diǎn)的完全倒塌和斷源。阻焊層可用來限制焊錫熔濕和控制錫球塌落的程度。這個控制是通過為每個錫球座設(shè)計離散的阻焊層開口來完成的(圖四)。在本文所述的應(yīng)用中，工藝的限制和貼裝設(shè)備的能力使得不能使用單獨(dú)定義的錫球座。

低成本PCB供應(yīng)商通常只可以維持大批量生產(chǎn)時的±75µm阻焊層對位精度。用于芯片貼裝(die placement)的導(dǎo)向絲桿設(shè)備的精度能力為±50µm。這些公差的累積要求0.375mm的阻焊層開口來保證貼裝與回流過程達(dá)到6σ能力。這個尺寸的開口容納阻焊層的偏移和貼裝公差，而不會將120µm直徑的錫球放到阻焊層上。

最后布局利用單個的阻焊條或“堤擋”來限制焊錫熔濕流出，并在關(guān)鍵區(qū)域防止斷源。堤擋放在流道上，直接連接于內(nèi)通孔的連線孔(via)或那些認(rèn)為太長的線上。要求總共11條阻焊堤擋或條來足夠地保護(hù)裝配(圖五)。這隨機(jī)放置的阻焊條提供整個芯片的連續(xù)的毛細(xì)管作用，結(jié)果得到均勻的充膠(underfill)流峰，和無空洞的密封膠。

錫球(solder bump)

在阻焊層可用于控制低成本、密間距應(yīng)用的芯片(die)塌落之前，必須改進(jìn)材料的定位和孔的準(zhǔn)確度。阻焊堤擋可有效的防止焊錫點(diǎn)斷源，但不能充分地限制回流時的錫球倒塌(die collapse)。為了有效地控制芯片離板高度，錫球的銅UBM(錫球下的金屬)需要改進(jìn)。使用45µm的銅柱UBM可達(dá)到連續(xù)一致的工藝過程和可靠性。這個錫球結(jié)構(gòu)提供阻焊層之上43µm的間隙，容易作底部充膠。圖6顯示最后的錫球結(jié)構(gòu)和回流之后相應(yīng)的力板高度。

工藝過程

建立最終的設(shè)計版本和材料規(guī)格，允許制造過程得到優(yōu)化，達(dá)到最大的產(chǎn)量與最好的品質(zhì)。雖然與標(biāo)準(zhǔn)的表面貼裝相似，倒裝芯片要求特殊的考慮因素。在工廠實(shí)施之前的準(zhǔn)備將改進(jìn)生產(chǎn)線產(chǎn)量，過程合格率和產(chǎn)品可靠性。倒裝芯片工藝包括上助焊劑(fluxing)、芯片貼裝(die placement)、回流(reflow)、底部充膠(underfill)和固化(cure)。

上助焊劑(fluxing)

上助焊劑(fluxing)是倒裝芯片工藝的第一步，其重要性經(jīng)常被低估了。在形成連接之前，助焊劑將芯片保持在位置上，減少氧化和加速共晶焊錫球的回流。本應(yīng)用中使用的免洗助焊劑具有高粘著性(tack)、低粘度(viscosity)、長蒸發(fā)時間、最低回流焊后殘留物、低毒性和最小氣味。

在錫球回流之前芯片的移動是一個關(guān)注，因?yàn)?00µm的裝配間距幾乎不允許有對位錯誤。造成未對準(zhǔn)或相對移位芯片的原因可能不同，但包括：

· PCB彎曲變形(warped PCB)：當(dāng)芯片(die)貼放到電路板表面時，彎曲的板可能會柔曲。已經(jīng)貼裝在板上的芯片，在剩下的芯片貼裝時，要經(jīng)受電路板的類似于崩床的運(yùn)動。

· 板的傳送：在芯片(die)貼裝之后，裝配傳送到回流焊爐必須流暢。傳送帶對不準(zhǔn)或貼裝單元的升起定位機(jī)構(gòu)或傳送帶的突然加速都可能造成芯片移位。

· 爐的情況：爐內(nèi)高速氣流將吹動芯片偏移定位。

具有高粘著性和低蒸發(fā)速率的助焊劑系統(tǒng)將減少這些材料處理的缺陷和提高更快的生產(chǎn)線速度。如果助焊劑在芯片貼裝或回流之前蒸發(fā)，那么IC更可能移位。慢的蒸發(fā)保持最多的助焊劑，在回流爐的升溫和保溫區(qū)期間，把芯片固定在位。理想的，助焊劑不應(yīng)該蒸發(fā)太多，直到元件達(dá)到回流溫度曲線的液化區(qū)域。快速干燥的醇基助焊劑可能要求芯片貼裝之前分階段處理。

為了充分利用貼裝單元，上助焊劑是使用一臺專用的滴膠機(jī)在芯片貼裝之前完成的。沒有采用諸如壓印(stamping)、浸(dipping)或刷(brushing)等接觸式方法，由于產(chǎn)品專門的定位裝置和對污染的關(guān)注。

量的控制是助焊劑滴涂的最重要方面。要求最少的量是百分之百的覆蓋錫球座/滑道(site / runner)。不完全覆蓋將造成電氣開路和裝配的報廢。增加的量超過了百分之百的要求將改善粘著性能，但可能反過來影響產(chǎn)品的可靠性。過多的助焊劑可能造成回流焊后的殘留物和不希望的區(qū)域侵蝕。有機(jī)殘留物對底部充膠是有害的，降低系統(tǒng)的現(xiàn)場可靠性。助焊劑遷移或流動超出芯片座可能引起焊錫球(solder ball)、元件豎立(tombstoning)和PCB的離子污染(ionic contamination)。對每個產(chǎn)品的最后量的規(guī)定必須平衡百分之百覆蓋要求、最大粘著性能、最少助焊劑殘留物和元件偏移控制。

上助焊劑不要求很高的放置精度。使用兩個全局基準(zhǔn)點(diǎn)作板的定位，可得到很高的可信水平。對每個貼片座的局部基準(zhǔn)點(diǎn)是沒有必要的，它會降低設(shè)備周期。設(shè)備購買時不能沒有視覺系統(tǒng)，但多數(shù)便利設(shè)施可以省去- 快速簡便的產(chǎn)品編程和設(shè)定確認(rèn)等。

芯片貼裝(die placement)

芯片貼裝容易實(shí)施，因?yàn)樵O(shè)備對工廠人員都很熟悉。設(shè)備具有C4倒裝芯片貼裝頭，只用于IC的貼裝。貼裝頭有四個貼裝轉(zhuǎn)軸(spindle)，維持X-Y貼裝精度為±200µm和最大貼裝力為2500g。芯片以盤帶包裝，用黑色迭爾林(Delrin)吸嘴來吸取元件。

通常，貼裝壓力應(yīng)該為每個I/O 6~12g。在這種情況下，100 I/O要求600~1200g之間的壓力。過大貼裝壓力有一個缺點(diǎn)，盡管貼裝頭/視覺系統(tǒng)掃描后已經(jīng)作了糾正，貼裝壓力可能產(chǎn)生元件偏移。還有，如果托盤的剛性不夠，或者板的支撐不正確，貼裝時板可能會向下彎曲。

元件的視覺識別路線設(shè)定是，沿芯片周圍識別48個錫球(bump)，和中間附近一個定向錫球。錫球的數(shù)量經(jīng)過優(yōu)化達(dá)到最高的貼裝精度和最大的機(jī)器產(chǎn)量。增加錫球數(shù)量大大地延長處理時間，而貼裝精度保持不變。

一個解析度為每個象素1.3mil的相機(jī)用來抓拍芯片的圖象。通過二級光強(qiáng)度的側(cè)光，得到足夠的對比度。貼裝單元也配備一個每個象素0.5mil的可選相機(jī)，但要求抓拍兩個芯片圖象。

用三個全局基準(zhǔn)點(diǎn)來決定PCB和貼裝座的位置。基準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)該是金屬作的，以保證錫球的貼放是相對于倒裝芯片的焊盤，而不是阻焊層。

貼裝之后、回流之前板的所有運(yùn)動和傳送必須平滑，不能影響元件的定位。如果元件的移位是來自貼裝單元，那么機(jī)器傳送帶、升起定位和Z-軸的加速度和速度的設(shè)定可能需要降低。在高速運(yùn)作期間，也必須使用適當(dāng)?shù)陌逯危詼p少PCB撓曲。撓曲或反回可能引起前面貼裝的芯片移出焊盤，特別是如果在表面貼裝之前陣列(array)翹曲。

回流(Reflow)

在貼裝工藝之后，裝配通過一個空氣對流爐，來回流共晶焊錫球，形成電氣連接。爐設(shè)定按標(biāo)準(zhǔn)的表面貼裝溫度曲線。氮?dú)饬魉偬峁┝己玫臒醾鲗?dǎo)，限制氧氣污染。爐的進(jìn)口處過大的氮?dú)饬魉倏赡芤鹦酒瞥龊副P，因此引發(fā)缺陷。如果這個偏移變成一個長期的問題，可增加分流板來防止氣流直接沖擊芯片。開始的溫度斜率不應(yīng)該超過每秒1.5~2.0°C。高的預(yù)熱速率迅速蒸發(fā)助焊劑，引起回流焊接之前芯片偏移，甚至翻轉(zhuǎn)。

每個產(chǎn)品都必須作溫度曲線，以保證滿足適當(dāng)?shù)幕亓鳁l件。在生產(chǎn)線預(yù)防性維護(hù)或板有任何改動之后，應(yīng)該再作溫度曲線。表面上不重要的修改，如改變地線層的尺寸或位置，可影響熱傳遞速率和倒裝芯片的回流。氮?dú)饬魉偈褂冒惭b在爐前的流量計來監(jiān)測。氧氣水平可用也是安裝在爐前的探測器來檢查。

先進(jìn)先出(FIFO, first-in, first-out)的緩沖器應(yīng)該安裝在回流爐的立即出口，在底部充膠單元之前。這個預(yù)防措施將收在集流水線關(guān)閉期間正在回流爐內(nèi)的任何電路板。

底部充膠(Underfill)

底部充膠對倒裝芯片裝配的長期可靠性是必須的。膠減少焊接點(diǎn)的應(yīng)力，將應(yīng)力均勻地分散在倒裝芯片的界面上。每個充膠系統(tǒng)的可靠性可能差別很大，決定于倒裝芯片裝配的結(jié)構(gòu)；因素包括離板間隙(standoff)高度、芯片鈍化、阻焊劑供應(yīng)商和PCB材料。所希望的制造特性包括快速的流動速率、快速固化、長的儲存穩(wěn)定性和容易使用到倒裝芯片座。為了達(dá)到成功，充膠的附著、顆粒尺寸分布和填充量必須修整，以滿足制造和可靠性要求。

多數(shù)充膠材料是基于環(huán)氧樹脂的系統(tǒng)，充入50~70%重量的硅來協(xié)調(diào)穩(wěn)定膨脹系數(shù)(CTE, coefficient of thermal expansion)。所有元素預(yù)先混合包裝在注射器內(nèi)，適于所希望的速率和材料儲存壽命。注射器大小應(yīng)該限制操作員的干涉時間為每四到八個小時，因此減少停線期間的材料浪費(fèi)，但又不太影響產(chǎn)量。

充膠材料儲存在-40°C的冷凍機(jī)內(nèi)，在裝上滴膠機(jī)之前，解凍至少30分鐘。解凍到一個穩(wěn)定的穩(wěn)定狀態(tài)，防止不利的粘度變化，它會引起充膠量的變化。充膠的制造儲存壽命應(yīng)該至少四小時。在這個時間內(nèi)，滴膠機(jī)應(yīng)該展示連續(xù)的膠流、無針嘴滴漏(dripping/drool)和良好的滴膠點(diǎn)尾的斷開。超過材料儲存壽命可能造成充膠不完整和低劣的附著。

用旋轉(zhuǎn)式膠泵將膠填充到基板。這個閥是堅固的，易于清潔，并可在膠劑壽命內(nèi)滴出連續(xù)一致的膠量?；鍦囟仁遣皇芸刂频?，其變化決定于經(jīng)過回流爐之后所持續(xù)的時間。膠劑是以充膠到芯片所有四條邊的形式滴注的。這種形式提供良好的圓角成型，并且比曾經(jīng)評估過的單線或L形滴膠更快速。

在滴膠之前，用設(shè)備的視覺程序來定位IC的每條邊，減少滴膠嘴由于移位的芯片而被彎曲的機(jī)會。損壞的滴膠嘴將不會正確地滴膠，在發(fā)覺之前可能引起無數(shù)的缺陷。柔性的滴膠嘴是個可接受的替代者，如果視覺要求反過來影響設(shè)備的產(chǎn)量。柔性的滴膠嘴在受沖擊時會彎曲，但是如果滴膠嘴變形，滴膠精度可能受影響。

芯片周圍1~2mm 的元件非入?yún)^(qū)是所希望的，但并不一定總是可行的，因?yàn)樵O(shè)計的局限。在本文所述的情況中，有熱封裝配、一個開關(guān)和幾個離散元件處在非入?yún)^(qū)的里面或附近。滴在或流入熱封元件和開關(guān)區(qū)域的膠可能毀壞整個PCB。密封的離散元件不會負(fù)面影響射頻性能，但將抑制芯片下的膠流。這些元件也將在固化后永久地綁接在位置上，可能使得豎立的電容無法修理。12~16mg的底部充膠提供必要的覆蓋并限制污染。

固化(cure)

底部充膠的裝配通過一個固化爐，使膠劑聚合。臥式、立式和微波爐都可使用，決定于應(yīng)用和固化時間的要求：

· 臥式固化爐，成本低、到處都可找到、可靠、也提供作為回流焊爐的雙重功能。立式與微波爐通常是專門的固化爐，不能用于回流。

· 立式爐具有高容量，占地面積小，但復(fù)雜性增加可能導(dǎo)致可靠性和維護(hù)等問題。

· 微波爐提供快速的批量處理，但大大增加固定資產(chǎn)成本。從產(chǎn)品到產(chǎn)品來作爐的溫度曲線也變得更困難。

5~15 分鐘的充膠固化時間允許標(biāo)準(zhǔn)的臥式回流焊爐當(dāng)作固化爐用。為了增加能力，將爐由單軌通道改為雙軌通道。這個修改改進(jìn)了利用率，消除了每條線多個固化爐的需要。

固化缺陷是一個關(guān)注，因?yàn)樗鼈兛赡懿槐话l(fā)覺，直到尋呼機(jī)到了顧客手中。開始的升溫速率和溫度上的時間(time-at-temperature)是重要的溫度曲線參數(shù)，必須得到控制。過快的升溫速度可能引起充膠的過早凝固，或者在系統(tǒng)中揮發(fā)低分子重量的單分子物體。過早的凝固在它適當(dāng)?shù)孛芊庑酒熬屯Ｖ沽瞬牧狭鲃?，揮發(fā)的單分子物體將造成空洞。這兩種情況都是不可接受的，并誘發(fā)可靠性問題。維持特定的固化時間和溫度對充膠達(dá)到其完全功能是必須的。充膠的溫度記錄決定其物理特性，如玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度、CTE、粘著力和吸潮特性。加熱時間不充分將造成不適當(dāng)聚合的膠體，可能不能提供足夠的完整的機(jī)械特性。

結(jié)論

工程師在實(shí)施一項(xiàng)倒裝芯片應(yīng)用時，應(yīng)該應(yīng)用兩條設(shè)計規(guī)則：

· 限制倒裝芯片將要經(jīng)受的靜態(tài)和動態(tài)的電路板彎曲。將芯片貼放在諸如螺釘頭或鍵盤區(qū)域背面等高應(yīng)力點(diǎn)，可能導(dǎo)致底部充膠的脫層和潛在的現(xiàn)場失效。

· 避免芯片背面可能受到?jīng)_擊的區(qū)域。如有必要，增加一個沖擊墊或蓋來限制IC斷裂或碎裂。

遵守這些規(guī)則將改善最后裝配的可靠性，和避免潛在的現(xiàn)場失效。技術(shù)進(jìn)步繼續(xù)推動倒裝芯片裝配邁向表面貼裝制造的主流。在許多領(lǐng)域的發(fā)展，如無流動(no-flow)低部充膠(underfill)、低成本HDI基板和高精度貼片設(shè)備，將繼續(xù)降低成本和消除實(shí)施倒裝芯片技術(shù)的障礙。