Flip chip倒装焊接技能与事理

1 flip chip 技能

目前集成电路互联的技能紧张有三种，引线键合技能（Wire Bonding），载带自动键合技能（Tape Automated bonding），倒装芯片技能（Flip chip）。
WB和TAB的芯片焊盘都再芯片四周，因此I/O数量不能太多，而FC可以将全体芯片面积用来与基板互联，极大的提高了I/O数。

倒装芯片起源于20世纪60年代，由IBM率先研发出来，是将芯片功能区朝下以倒扣的办法背对着基板通过焊料凸点（简称Bump）与基板进行互联，芯片放置方向与传统封装功能区朝上相反，故称倒装芯片。
如下图1 所示

图1 倒装芯片封装基本构造

2 倒装芯片的优点与缺陷

倒装封装大大提高了电子器件集成度，近几年倒装新品啊已经称为高性能封装的互联方法，它的运用得到比较广泛快速的发展。
目前倒装芯片紧张运用在WiFi ，SIP，MCM，CIS，微处理器等方面。
但是同时也还有很多方面的问题待办理。
其优点与缺陷如表1所示

优点

缺陷

1 尺寸小，厚度薄，重量轻

2 单位面积的I/O数量远大于传统封装继续技能，密度更高

3 传输性能提升，互联结构尺寸短小，减少了电感，电阻以及电容，旗子暗记完全性，射频性能更好

4 散热能力强，芯片背板可添加散热片进行冷却，提高芯片见告运行时的稳定性

5 FC焊料凸点制备工艺更适宜集成化发展需求，生产效率较WB工艺有大幅提高

1 FC须要在晶圆上制造凸点，工艺相对繁芜

2 如果芯片不是专门FC设计的，还须要设计和加工再分布层

3 FC更易收到温度变革的影响须要更多地考虑芯片和基板的CTE良好匹配，对热剖析有更高的哀求

3 倒装芯片（Flip chip）工艺

倒装芯片封装技能一样平常是采取平面工艺在集成电路芯片的输入/输出端（I/O）端制作无铅焊点，将芯片上的焊点与基板上的焊盘进行对位，贴装，然后利用焊料回流工艺在芯片和基板焊盘间形成焊球，再在芯片和基板焊盘间形成焊球，再在芯片与基板间的空隙中添补底部添补胶，终极实现芯片与基板间的电，热和机器连接。
图2为倒装芯片的封装工艺。

图2 倒装芯片封装工艺

倒装芯片连接有三种紧张类型C4（Controlled Collapse Chip Connection）、DCA（Direct chip attach）和FCAA （Flip chip Adhesive Attachment）。
C4是类似超细间距BGA的一种形式与硅片连接的焊球阵列一样平常的间距为0.23 mm，0.254 mm。
焊球直径为0.102 mm、0.127mm。
焊球组分为97Pb/3Sn。
UBM Bump 构造（Under Bump Metallurgy）如图3。

图3 Bump structure

对付倒装的晶圆封装一样平常为如下工艺

图4 倒装晶圆封装工艺流程

这些焊球在硅片上可以呈完备分布或者部分分布。
如下图5。

Conventional chip with aluminum I/O pads around the perimeter

Coat chip with polyamide open vias over each pad

Used dry-film lift-off process to define base metal and solder on each pad

Pattern aluminum to re-route I/O to on area array

Overcoat with polyamide and open the bump areas. Pattern wettable base metal

图5 芯片植球分布过程

从上面的先容可以看到倒装芯片的紧张工艺步骤包括：底部金属层UBM（Under Bump Metallurgy），凸点制作（Bumping），互连（Interconnection），底部添补（Underfilling）和固化（Curing）。

4 UBM沉积

由于焊料等不能和芯片上的AL pad基地直接互联，以是须要在Arpad上沉积过渡层，称之为底部金属沉积。
如下图5

图6 UBM

UBM一样平常包括三层，第一层为黏附层Adhesion layer， Ti，Cr，TiW 供应与Al Pad的连接厚度约（0.15~2um），有较强的粘附性，第二层为润湿层（Wetting layer），材料为Ni，Cu，Mo，Pt在高温回流焊锡球时可完备黏附成球，厚度（1~5um）。
第三层为保护层（Protective layer）采取Au来保护Ni，Cu等材料被氧化。
厚度（0.05~0.1um）。
目前常用的沉积工艺紧张有

溅射，用溅射的方法一层一层地在硅片上沉积薄膜，然后通过摄影平板技能形成UBM图图样，然后蚀刻掉不是图样的部分。

蒸镀，利用掩膜，通过蒸镀的方法在硅片上一层一层地沉积。
这种选择性的沉积的淹模可用于对应凸点的形成之中。

化学镀，采取化学镀的方法在Al焊盘上选择性地镀Ni。
常常用锌酸盐工艺对Al表面进行处理。
无需真空及图样蚀刻设备，本钱低。

图7 UBM &凸点制作

表1 为各个工艺比拟

表1 UBM工艺比拟

5 凸点制作

在UBM准备好后，要在上面制备出一定厚度的球形或者方形凸点，作为芯片互连的引脚。
凸点常用的材料是Pb/Sn合金，由于其回流焊特性如自中央浸染以及焊料着落等。
子中央浸染减少了对芯片贴放的精度哀求。
着落特点减少了共面性差的问题。
95Pb/5Sn或者87Pb/3Sn的回流焊温度较高330-350℃。
根据芯片的其他部分，有基板等的事情温度哀求，开拓出了高锡焊料，如37Pb/63Sn 的回流温度200℃旁边。
对付凸点制作，则涌现了很多种不同的方法，紧张有

5.1蒸镀焊料凸点，基本步骤为1）硅片溅射洗濯，沉积金属前去除氧化为或者摄影掩模。
同时使得硅片钝化层以及焊盘表面粗糙以提高对UBM的结合力。
2）金属掩模，常常用带图样的钼金属掩模来覆盖硅片以利于UBM以及凸点金属的沉积。
金属掩模组件一样平常由背板，弹簧，金属模板以及夹子等构成。
硅片被夹在背板与金属模板之间，然后通过手动对位，对位公差可掌握在25um。
3) UBM 蒸镀，然后按照顺序蒸镀Cr 层，CrCu层，Cu层以及Au层。
4）焊料蒸镀，在UBM表面蒸镀一层97Pb/Sn或者95Pb/Sn，厚度约为100~125um。
形成一个圆锥台形状。
5）凸点成球，在C4工艺中，凸点回流成球状。

5.2电镀凸点，电镀是一个比较盛行的工艺，其设备本钱低，举动步伐占地少，有很多的电镀工艺可以采取。
传统的电镀沿用蒸镀利用的Cr/Cr-Cu/Cu构造的UBM和利用高铅合金。
电镀焊球凸点工艺如下图

图8 电镀焊球凸点工艺流程

5.3锡膏印刷凸点，目前各种焊膏印刷技能可达到250um的细间距。
工艺步骤有洗濯，UBM沉积图（a），图形刻蚀成型（b，c），焊膏印刷以及回流（d，e）。
基本工艺如下图

图9 电镀焊球凸点工艺流程

5.4钉头焊料凸点，利用标准的导线键合中的方法来形成凸点，Au丝线或者Pb基的丝线。
其过程与导线键合基本相同，唯一的差别便是：球在键合头形成之后就键合到焊盘商，其丝线立时从球顶端截断。
这种方法哀求UBM与利用的丝线相容。
然后这种图钉式的凸点通过回流或者整形方法形成一个调皮的形状，以得到同等的凸点高度。
一样平常地，这种凸点与导电胶或者焊料合营利用以进行组装互连。

图10 钉头焊料凸点未整形与整形后的凸点

6 互连组装

对付互连组装，涌现了焊料和电胶两种连接材料，焊料互连一样平常采取回流，热压，热声等互连方法；而导电胶互连则采取热压粘结方法。
与传统的SMD组装比，倒装芯片组装须要一些额外的工具与步骤，如：芯片转载单元，焊剂涂敷单元，浸渍步骤或者焊剂槽以及底部添补与固扮装备。
倒装工艺有其分外性，该工艺引入助焊剂工艺，将器件浸蘸在助焊剂薄膜里让器件焊球蘸取一定量的助焊剂，再将器件贴装再基板上，然后回流焊接。
或者将助焊剂预先施加在基板上，再贴装器件与回流焊接。
助焊剂在回流之前起到固定器件的浸染，回流过程中起到润湿焊接表面增强可焊性的浸染。

图11 回流工艺 a为蘸助焊剂工艺，b为印制助焊剂工艺

上述倒装芯片组装工艺是针对C4器件而言。
其余一种工艺是利用各向异性导电胶（ACF）来装置倒装芯片。
预先在基板上施加异性导电胶，贴片头用较高压力将器件贴装在基板上，同时对器件加热，使导电胶固化。
该工艺哀求贴片具有非常高的精度，同时贴片头具有大压力及加热功能。
对付非C4器件的装置，趋向采取此工艺。

倒装芯片几何尺寸，焊球直径小（小到0.05mm），焊球间距小（小到0.1mm），形状尺寸小（1mm2）。
要得到好的装置良率，给贴装设备以及工艺带来了寻衅，随着焊球直径的缩小，贴装精度哀求越来越高。

目前10un乃至2um的精度越来越常见，贴片设备摄影机图形处理能力也十分关键，小的球经和小的球间距须要更高像素的相机来处理。

随着施加推移，高性能芯片尺寸不断增大，焊凸点数量不断增多，基板越来越薄，为了提高产品可靠性，底部添补称为必须的工艺。

6.2 贴片的精度

在假设倒装芯片的凸点为球形，基板上对应的焊盘为圆形，且具有相同的直径。
假设无基板翘曲变形及制造毛病方面的影响。
并且不考虑Theta和冲击的影响。
在回流焊接过程中，器件具有自对中性，焊球与润湿面50%的打仗在焊接过程中可以被拉正。
那么基于以上的假设，直径25um的焊球如果其对应的焊盘的直径为50um时，旁边位置偏差（X轴）或前后位置偏差（Y轴）在焊盘尺寸的50%，焊球都始终在焊盘上。
那么对付焊球直径为25um的倒装芯片，工艺能力Cpk要达到1.33的话，哀求机器的最小精度必须达到12um@3sigma。

图12 芯片贴装精度示意图

6.2 吸嘴与压力的选择

由于倒装芯片基材是硅，表面非常平整光滑，最好选择头部是硬质塑料具有多孔的ESD吸嘴。
如果头部选择橡胶的吸嘴，随着橡胶的老化，在贴片过程中可能会粘连器件，造成贴片偏移或带走器件。

在取料，助焊剂浸蘸过程中施以较大的压力随意马虎将其压裂，同时眇小的凸点在此过程中随意马虎压变形，以是只管即便利用比较低的贴装压力，一样平常哀求在150g旁边，对付超薄形芯片如0.3mm，有时乃至哀求贴装压力掌握在35g。

6.3 助焊剂的选择

助焊剂运用单元是掌握助焊剂浸蘸工艺的主要部分，其事情的基本事理便是要得到设定厚度的稳定的助焊剂薄 膜，以便于器件各焊球蘸取的助焊剂的量同等。
要精确稳定的掌握助焊剂薄膜的厚度，同时知足高速浸蘸的哀求，该助焊剂运用单元必须知足以下哀求：

1. 可以知足多枚器件同时浸蘸助焊剂（犹如时浸蘸 4 或 7 枚）提高产量；

2. 助焊剂用单元该当大略、易操作、易掌握、易清洁；

3. 可以处理很广泛的助焊剂或锡膏，适宜浸蘸工艺的 助焊剂粘度范围较宽，对付较稀和较粘的助焊剂都要能处理，而且得到的膜厚要均匀；

4. 蘸取工艺可以精确掌握， 浸蘸的工艺参数因材料的不同而会有差异， 以是浸蘸过程工艺参数必须可以单独掌握，如往下的加速度、压力、勾留韶光、向上的加速度等

图12 蘸助焊剂

下图是Newport MRSI705 贴片机机器参数

图13 Newport MRSI705 贴片机机器参数

7 底部添补

倒装芯片组装焊接完成后，须要在器件底部和基板之间添补一种胶（一样平常为环氧树脂材料）。
底部添补足为“毛细流动事理”的流动性和非流动性（No-follow）底部添补。
在倒装芯片中，热应力的紧张来源是硅基芯片和有机基板的热膨胀系数差异。
硅基芯片CTE一样平常是2.5到6ppm/℃，而一样平常FR4型号的有机PCB板的CTE是18到24 ppm/℃。
因此，当芯片受热时，焊点两边芯片和基板的膨胀变形不屈均，产生内应力，易使焊点脱落或断裂。
底部添补胶的发明便是为理解决这一问题，使低本钱和低介电常数的有机PCB板得以运用于倒装芯片中。
加入了底部添补胶后，热应力就不再集中在焊点上，而是分散在芯片，底部添补胶和基板中。
实验表明，底部添补胶能将焊点上的应力减少至0.1到0.25倍，并延长10到100倍疲倦寿命。
此外，底部添补胶还能对焊点进行保护。
减少外部环境的机器冲击。
因此，底部添补胶称为了倒装芯片技能中不可或缺的组成部分，近年来无论是加工工艺还是材料组成都有很大的发展，使其可靠性进一步提升。

7.1底部添补工艺

底部添补工艺分为流动添补和非流动添补。
传统的流动添补如下图10，先在基板上分配助溶剂，再将已沉积好凸块的芯片颠倒再基板上，通过回流焊技能将芯片与基板相连，并喷洒清理溶剂去除剩余的助溶剂。
当芯片与基板组装后，底部添补胶由毛细征象填入芯片与基板之间的空隙中。
末了通过加热使底部添补胶固化，完成封装。

图14 流入底部添补工艺

非流动添补工艺如图11，先将底部添补胶涂在基板上，再将芯片颠倒与其上并同时完成焊接和固化。
这种新颖的非流动加工办法去除了加助溶剂与清理助溶剂两道工序。
避免了毛细添补法流动慢的弊端，而且将回流焊和固化结合在一步中，大大提升了加工效率。
由于非流动底部添补的发展，倒装芯片工艺得以进一步利用表面组装技能。

图16 非流动底部添补技能

7.2添补关键工艺

在底部添补过程中要掌握好三个关键工艺。
1）添补量，添补不敷热应力导致芯片开裂。
过多的添补又会溢流到芯片底部以外。
添补取决于添补空间的精确打算以及添补工具的精度。
。
2）添补温度，预热，加热以及添补后的加热对其流动性有很大影响，根据不同的胶水性能，添补胶量掌握摸索适宜的温度参数。
3）添补方法，从一边添补会导致流动过长，从两边添补会导致内部产生气孔。
以是不同的添补办法都有不同的工艺参数。

8检讨

对完成底部添补往后产品的检讨有非毁坏性检讨和毁坏性检讨，非毁坏性的检讨有

利用光学显微镜进行外不雅观检讨，譬如检讨填料在器件侧面爬升的情形，是否形成良好的边缘圆角，器件表面是否有脏污等

图17 MIL-STD-883对芯片外不雅观哀求标准

图17 外不雅观不良器件图片

利用 X 射线检讨仪检讨焊点是否短路，开路，偏移，润湿情形，焊点内空洞等

图19 芯片X-ray图片

3） 电气测试（导通测试） ，可以测试电气联结是否有 问题。
对付一些采取菊花链设计的测试板，通过通断测试还可以确定焊点失落效的位置

图20 探针台Prober

4）利用超声波扫描显微镜（ C-SAM ）检讨底部添补后 个中是否有空洞、分层，流动是否完全毁坏性的检讨可以对焊点或底部填料进行切片，结合光学显微镜，金相显微镜或电子扫描显微镜和能

图21 C-SAM图片

5）谱剖析仪 （ SEM/EDX ） ，检讨焊点的微不雅观构造，例如，微裂纹 / 微 孔，锡结晶，金属间化合物，焊接及润湿情形，底部添补 是否有空洞、裂纹、分层、流动是否完全等。

图22 SEM/EDX 界面图片

6）切片剖析（ cross section）

切片（cross section)是用特制液态树脂将样品包裹固封，然后进行研磨抛光的一种制样方法，检测流程包括取样、固封、研磨、抛光、末了供应描述照片、开裂分层大小判断或尺寸等数据。
目的：电子元器件表面及内部毛病检讨及SMT制程改进&验证。
适用范围： 适用于电子元器件构造阐发，PCBA焊接毛病，焊点上锡形态及毛病检测等

图23 切片剖析图

7）红外显微镜不雅观测，由于纯硅片对付其接管限1.06um以上波长的红外线是透明的，因此在红外显微镜下可以透过倒装芯片不雅观测到正面器件版图以及焊接凸点。
如下图不雅观测方法。

图24 倒装芯片中红外显微镜不雅观测实验装置示意图

红外显微镜采取焦平面阵列探测器，能探测0.8um~2.4um波长范围内的红外线，同时，为了掌握进入探测器的红外线波长范围，在探测器前放=有一个滤光片，可以选择利用不同中央波长的滤光片，以得到最佳的图像质量。
如下图为红外显微镜下测倒装芯片中铝堕落模式

图25 红外显微镜下测倒装芯片中铝堕落模式

完成回流焊接及底部添补工艺后的产品常见毛病有： 焊点桥连 / 开路、焊点润湿不良、焊点空洞 /气泡、焊点开 裂/脆裂、底部填料和芯片分层和芯片分裂等。
对付底部添补是否完全，填料内是否涌现空洞，裂纹和分层征象，需 要超声波扫描显微镜（ C-SAM ）或通过与芯片底面平行的 切片（ Flat section ）结合显微镜才能不雅观察到，这给检讨此 类毛病增加了难度。
底部添补材料和芯片之间的分层每每发生在应力最大 器件的四个角落处或填料与焊点的界面

总结：倒装芯片在产品本钱，性能及知足高密度封装等方面 表示出上风，它的运用也逐渐成为主流。
由于倒装芯片的 尺寸小，要担保高精度高产量高重复性，这给我们传统的 设备及工艺带来了寻衅，详细表现在以下几个方面：

1. 基板（硬板或软板）的设计方面；

2 ．组装及检讨设备方面；

3 ．制造工艺 ,芯片的植球工艺， PCB 的制造工艺， SMT 工艺；

4 ．材料的兼容性图11 助焊剂浸蘸工艺

全面理解以上问题是成功进行倒装芯片组装工艺的根本