倒装芯片：向主流制造工艺推进

倒装芯片：向主流制造工艺推进

对较小外形和较多功能的低成本电子设备的需求继续在增长。这些快速变化的市场挑战着电子制造商，降低制造成本以保证可接受的利润率。倒装芯片装配(flip chip assembly)被认为是推进低成本、高密度便携式电子设备的制造所必须的一项技术。

在低成本应用中，倒装芯片的成功是因为它可达到相对于传统表面贴装元件包装更大的成本效益。例如，一款新的寻呼机利用了倒装芯片技术将微控制器装配于PCB，因为倒装芯片使用较少的电路板空间，比传统的塑料球栅阵列(PBGA, plastic ball grid array)成本较低。
材料
集成电路(Integraded circuit)
在这款寻呼机中的集成电路(IC, integrated circuit)是一个 5 x 5.6 mm 的微控制器，要求100个输入/输出(I/O)连接于PCB。将四周I/O重新分配为2.5排减少点数(depopulated)的球栅阵列形式来接纳PCB的线/空格以及通路孔焊盘的限制。锡球(bump)布局与间距如图一所示。
使用了电镀共晶锡/铅锡球，因为与其它的替代者比较，它的成本低得多。锡球的直径大约为125 μm，球下金属(UBM, under bump metalization)为一个顾客要求的45μm的铜柱，如图二。
印刷电路板(PCB, printed circuit board)
成本因素决定这款寻呼机的PCB的布局。PCB是标准的FR-4，四个金属层和一个无电镀镍/金表面涂层。由于增加材料成本和有限的可获得性，所以没有使用高密度互连(HDI, high-density interconnect)技术。无电镀镍/金表面涂层满足所有产品的要求。现场可靠性问题排除了选择有机可焊性保护层(OSP, organic solderability preservative)，选择性镍-金的成本增加也没有吸引性。
最低成本的PCB供应商的工艺能力限制板的密度为100μm线/空和0.5mm的通路孔焊盘。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。这些限制和阻焊层公差决定IC的分布形式、锡球尺寸和装配间距，并定义芯片贴放要求。
限制通路孔的焊盘尺寸为最小的0.5mm，意味着芯片(die)底下只能放13个通路孔(via)剩下的I/O不得不用100μm的线与空在基板顶面走出去。只使用定面金属层来布线剩下的87个I/O，这给IC的重新分布形式定下了一个标准。100μm线与空的设计要求将最终装配间距固定在200μm(图三)。
阻焊层(soldermask)的设计与工艺限制对直接芯片安装(DCA, direct chip attachment)的装配过程是关键的。必须控制电镀共晶锡球的熔湿(wet)，以防止回流期间焊接点的完全倒塌和断源。阻焊层可用来限制焊锡熔湿和控制锡球塌落的程度。这个控制是通过为每个锡球座设计离散的阻焊层开口来完成的(图四)。在本文所述的应用中，工艺的限制和贴装设备的能力使得不能使用单独定义的锡球座。
低成本PCB供应商通常只可以维持大批量生产时的±75μm阻焊层对位精度。用于芯片贴装(die placement)的导向丝杆设备的精度能力为±50μm。这些公差的累积要求0.375mm的阻焊层开口来保证贴装与回流过程达到6σ能力。这个尺寸的开口容纳阻焊层的偏移和贴装公差，而不会将120μm直径的锡球放到阻焊层上。
最后布局利用单个的阻焊条或“堤挡”来限制焊锡熔湿流出，并在关键区域防止断源。堤挡放在流道上，直接连接于内通孔的连线孔(via)或那些认为太长的线上。要求总共11条阻焊堤挡或条来足够地保护装配(图五)。这随机放置的阻焊条提供整个芯片的连续的毛细管作用，结果得到均匀的充胶(underfill)流峰，和无空洞的密封胶。
锡球(solder bump)
在阻焊层可用于控制低成本、密间距应用的芯片(die)塌落之前，必须改进材料的定位和孔的准确度。阻焊堤挡可有效的防止焊锡点断源，但不能充分地限制回流时的锡球倒塌(die collapse)。为了有效地控制芯片离板高度，锡球的铜UBM(锡球下的金属)需要改进。使用45μm的铜柱UBM可达到连续一致的工艺过程和可靠性。这个锡球结构提供阻焊层之上43μm的间隙，容易作底部充胶。图六显示最后的锡球结构和回流之后相应的力板高度。
工艺过程
建立最终的设计版本和材料规格，允许制造过程得到优化，达到最大的产量与最好的品质。虽然与标准的表面贴装相似，倒装芯片要求特殊的考虑因素。在工厂实施之前的准备将改进生产线产量，过程合格率和产品可靠性。倒装芯片工艺包括上助焊剂(fluxing)、芯片贴装(die placement)、回流(reflow)、底部充胶(underfill)和固化(cure)。
上助焊剂(fluxing)
上助焊剂(fluxing)是倒装芯片工艺的第一步，其重要性经常被低估了。在形成连接之前，助焊剂将芯片保持在位置上，减少氧化和加速共晶焊锡球的回流。本应用中使用的免洗助焊剂具有高粘着性(tack)、低粘度(viscosity)、长蒸发时间、最低回流焊后残留物、低毒性和最小气味。
在锡球回流之前芯片的移动是一个关注，因为200μm的装配间距几乎不允许有对位错误。造成未对准或相对移位芯片的原因可能不同，但包括：
PCB弯曲变形(warped PCB)：当芯片(die)贴放到电路板表面时，弯曲的板可能会柔曲。已经贴装在板上的芯片，在剩下的芯片贴装时，要经受电路板的类似于崩床的运动。
板的传送：在芯片(die)贴装之后，装配传送到回流焊炉必须流畅。传送带对不准或贴装单元的升起定位机构或传送带的突然加速都可能造成芯片移位。
炉的情况：炉内高速气流将吹动芯片偏移定位。
具有高粘着性和低蒸发速率的助焊剂系统将减少这些材料处理的缺陷和提高更快的生产线速度。如果助焊剂在芯片贴装或回流之前蒸发，那么IC更可能移位。慢的蒸发保持最多的助焊剂，在回流炉的升温和保温区期间，把芯片固定在位。理想的，助焊剂不应该蒸发太多，直到元件达到回流温度曲线的液化区域。快速干燥的醇基助焊剂可能要求芯片贴装之前分阶段处理。
为了充分利用贴装单元，上助焊剂是使用一台专用的滴胶机在芯片贴装之前完成的。没有采用诸如压印(stamping)、浸(dipping)或刷(brushing)等接触式方法，由于产品专门的定位装置和对污染的关注。
量的控制是助焊剂滴涂的最重要方面。要求最少的量是百分之百的覆盖锡球座/滑道(site/runner)。不完全覆盖将造成电气开路和装配的报废。增加的量超过了百分之百的要求将改善粘着性能，但可能反过来影响产品的可靠性。过多的助焊剂可能造成回流焊后的残留物和不希望的区域侵蚀。有机残留物对底部充胶是有害的，降低系统的现场可靠性。助焊剂迁移或流动超出芯片座可能引起焊锡球(solder ball)、元件竖立(tombstoning)和PCB的离子污染(ionic contamination)。对每个产品的最后量的规定必须平衡百分之百覆盖要求、最大粘着性能、最少助焊剂残留物和元件偏移控制。

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