倒装芯片：向主流制造工艺推进

倒裝晶片：向主流製造工藝推進

By Dr. Scott Joslin, James Lance, Daniel Yeaple and Douglas Hendricks

創新的製造與設計技術使得成百萬使用倒裝晶片裝配的尋呼機成功地製造出來。

對較小外形和較多功能的低成本電子設備的需求繼續在增長。這些快速變化的市場挑戰著電子製造商，降低製造成本以保證可接受的利潤率。倒裝晶片裝配(flip chip assembly)被認爲是推進低成本、高密度攜帶型電子設備的製造所必須的一項技術。

在低成本應用中，倒裝晶片的成功是因爲它可達到相對于傳統表面貼裝元件包裝更大的成本效益。例如，一款新的尋呼機利用了倒裝晶片技術將微控制器裝配於PCB，因爲倒裝晶片使用較少的電路板空間，比傳統的塑膠球柵陣列(PBGA, plastic ball grid array)成本較低。

材料

積體電路(Integraded circuit)

在這款尋呼機中的積體電路(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)連接於

PCB。將四周I/O重新分配爲2.5排減少點數

(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)佈局與間距如

圖一所示。

使用了電鍍共晶錫/鉛錫球，因爲與其它的替代者比較，它的成本低得多。錫球的直徑大約爲125 µm，球下金屬(UBM, under bump metalization)爲一個顧客要求的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的PCB的佈局。PCB是標準的FR-4，四個金屬層和一個無電鍍鎳/金表面塗層。由於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。無電鍍鎳/金表面塗層滿足所有産品的要求。現場可靠性問題排除了選擇有機可焊性保護層(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供應商的工藝能力限制板的密度爲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的分佈形式、錫球尺寸和裝配間距，並定義晶片貼放要求。

限制通路孔的焊盤尺寸爲最小的0.5mm，意味著晶片(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佈線剩下的87個I/O，這給IC的重新分佈形式定下了一個標準。100µm線與空的設計要求將最終裝配間距固定在200µm(圖三)。

阻焊層(soldermask)的設計與工藝限制對直接晶片

安裝(DCA, direct chip attachment)的裝配過程是關鍵

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。這個控制是通過爲每個錫球

座設計離散的阻焊層開口來完成的(圖四)。在本文所述的應用中，工藝的限制和貼裝設備的能力使得不能使用單獨定義的錫球座。

低成本PCB供應商通常只可以維持大批量生産時的±75µm阻焊層對位精度。用於晶片貼裝(die placement)的導向絲杆設備的精度能力爲±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。

最後佈局利用單個的阻焊條或“堤擋”來限制焊錫熔濕流出，並在關鍵區域防止斷源。堤擋放在流道上，直接連接于內通孔的連線孔

(via)或那些認爲太長的線上。要求總共11條阻焊堤擋或

條來足夠地保護裝配(圖五)。這隨機放置的阻焊條提供整

個晶片的連續的毛細管作用，結果得到均勻的充膠

(underfill)流峰，和無空洞的密封膠。

錫球(solder bump)

在阻焊層可用於控制低成本、密間距應用的晶片(die)塌落之前，必須改進材料的定位和孔的準確度。阻焊堤擋可有效的防止焊錫點斷源，但不能充分地限制回流時的錫球倒塌(die collapse)。爲了有效地控制晶片離板高度，錫球的銅UBM(錫球下的金屬)需要改進。使用45µm的銅柱UBM可達到連續一致的工藝過程和可靠性。這個錫球結構提供阻焊層之上43µm的間隙，容易作底部充膠。圖六顯示最後的錫球結構和回流之後相應的力板高度。

工藝過程

建立最終的設計版本和材料規格，允許製造過程得到優化，達到最大的産量與最好的品質。雖然與標準的表面貼裝相似，倒裝晶片要求特殊的考慮因素。在工廠實施之前的準備將改進生產線産量，過程合格率和産品可靠性。倒裝晶片工藝包括上助焊劑(fluxing)、晶片貼裝(die placement)、回流(reflow)、底部充膠(underfill)和固化(cure)。

上助焊劑(fluxing)

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

在錫球回流之前晶片的移動是一個關注，因爲200µm的裝配間距幾乎不允許有對位元錯誤。造成未對準或相對移位元晶片的原因可能不同，但包括：

•PCB彎曲變形(warped PCB)：當晶片(die)貼放到電路板表面時，彎曲的板可能會柔曲。已經貼裝在板上的晶片，在剩下的晶片貼裝時，要經受電路板的類似於崩床的運動。

•板的傳送：在晶片(die)貼裝之後，裝配傳送到回流焊爐必須流暢。傳送帶對不准或貼裝單元的升起定位機構或傳送帶的突然加速都可能造成晶片移位元。•爐的情況：爐內高速氣流將吹動晶片偏移定位。

具有高粘著性和低蒸發速率的助焊劑系統將減少這些材料處理的缺陷和提高更快的生産線速度。如果助焊劑在晶片貼裝或回流之前蒸發，那麽IC更可能移位。慢的蒸發保持最多的助焊劑，在回流爐的升溫和保溫區期間，把晶片固定在位。理想的，助焊劑不應該蒸發太多，直到元件達到回流溫度曲線的液化區域。快速乾燥的醇基助焊劑可能要求晶片貼裝之前分階段處理。