传统上，倒装芯片多半带有较大间距的焊接凸点，但随着组件朝小型化和精密化方向发展，半导体封装的尺寸也必须并驾齐驱。新的设计在更紧凑的间距中糅合了更细小的焊接凸点，且在多数情况下减少了总I/O数。由于用更少数量和更小直径的焊接凸点来分摊贴装力负荷，制造商能否提供低压力贴装解决方案以满足需要变得非常重要。本文将讨论其中一种工艺，并阐述减低倒装芯片在贴装时承受初始峰值冲击力的一些方法。
传统的表面贴装组件特别是大引脚元件正在向着更紧密的芯片级封装和倒装芯片技术过渡，所以我们也看到大多数微电子制造行业正经历着复兴。伴随着倒装芯片技术不断发展，越来越多功能可以转移到单个芯片上，这为芯片设计者减小封装尺寸提供了很大帮助，更小的封装尺寸也衍生出对于更少焊球数及更高密度焊接凸点阵列的要求。 医用电子制造业是率先采用更小更精密封装的行业，可植入式器件如心脏起搏器和除颤器等正不断朝着小型轻巧的方向发展，而且具备更强的功能。它们使用的倒装芯片焊球数都比较少，许多必须进行低压力贴装。在这里我们把小于150g的拾取、浸蘸或贴装力皆被视为“低压力”，假如将标准力施加于拾取、浸蘸焊剂或贴放过程中，焊接凸点就会压扁，防止焊球数少的倒装芯片在浸蘸薄层助焊剂时受压变形或焊接凸点高度减小成为工艺控制的关键。 设备制造商正在以各种方式解决贴装力低于标准范围时遇到的问题，从软件控制到机械组装以及两者的结合。对许多电子制造商来说，最关心的问题是在贴装过程施加的总压力，然而一个常被忽略但同样甚至更加重要的问题是倒装芯片在拾取或浸蘸过程中所受的初始峰值冲击力。 这个峰值冲击力可将焊接凸点压扁，严重时更会把过多的助焊剂挤到焊接凸点和裸片表面，从而引起焊接凸点短路。无论用什么方法，都遵循基本的物理定律，因为能量守恒，贴装工具和倒装芯片在冲击前的动能会传递给基板，使基板产生反作用力，因此如想减小初始冲击力，必须降低贴装工具的总重量或在冲击时工具移动的速度。 在考虑整个工艺时，减小冲击力显得更为重要。以华夫盘装的倒装芯片为例，每个元件将承受三次冲击，每次均会造成整体焊接凸点压扁。第一次是拾取芯片，第二次是浸蘸操作，第三次是把组件贴到基板上。假如贴装工具的冲击力很大，便会存在焊球过分压扁的风险，导致永久性的焊球变形和电气短路。 低压力贴装法 低压力贴装法因设备制造商而异，下面介绍其中一例及最新设计应用。 传统低压力贴装法利用软、硬件控制的组合，吸嘴配备一个内部弹簧组件和特氟隆套管，使吸嘴杆能够在吸嘴内伸缩，贴装力是弹簧倔强系数的函数。软件控制驱动贴装头和吸嘴组件沿Z向移动至适当位置，使组件与基底以零贴放力接触。由于弹簧倔强系数已知，贴装头可以下降达到贴装力所需的距离，用这个方法时贴装力可保持在30g至100g范围。 传统低压力贴装法获得了广泛应用。然而由于焊接凸点I/O数和整体封装尺寸逐渐变小，一些固有的局限性变得越来越明显，为此必须采取另外更稳妥的方法进行低压力贴装。 前面讲过，初始冲击力是贴装工具重量和冲击速度的函数，传统方法针对元件在贴装过程中的规格化负荷问题，未能有效考虑初始峰值冲击力。影响峰值冲击力的最主要因素是贴装头与吸嘴组件的综合重量，为此必须研究如何减少总体运动质量。 由于单独贴装头组件相当沉重，必须找到减重但不影响性能的方法，因此把新设计很贴切地称作LMR(Low Mass Redesign)，用LMR贴装头取代现有贴装头除了能减少重量外，还有下面一些优点。 1. 与原来20g～90g以及150g～2500g相比，新设计的力度范围是30g～2500g。 2. 不再需要使用大体积的低压力吸嘴，可以节省成本。 3. 可使用冲击传感器，并将传感器的触发力调整到30g左右，微小的基板高度偏差不会对实际贴装力造成影响。 4. 同轴度极高。贴装头在旋转过程中几乎不会发生径向跳动，在吸片和贴装时可提供更好的精度。 5. 初始峰值冲击力减少约70%(与减慢贴装头速度配合时)。 LMR贴装头利用冲击传感器来检测芯片是否以设定的压力贴在基板上，因此不需要低压力吸嘴上的弹簧组件，可降低每个吸嘴的成本。 LMR贴装头针对动量变化而设计，通过减小贴装工具的速度，峰值冲击力可以进一步下降。过去有一种减小冲击力峰值的方案是减小贴装头的贴装速度，然而这样做却要付出代价：冲击峰值确实得以减小，但延长了生产周期。在贴装元件过程中贴装头一般在Z向行程内以最大速度和加速度运动，当达到电路板高度设定的距离时，贴片机控制软件会将运动轴以受控减速方式过渡到变速模式，冲击力因此得以减小。 从制造角度看，即使机器的产量出现细微改变，也会对整个生产线表现造成很大的影响。因此变速必须进行调整，以便在维持整体机器产量同时最大限度地减小峰值冲击力。为此须对变速参数进行优化，使贴装头以最大速度通过一大段Z向行程以后再减速。变速加上有效的冲击检测，可实现可控和可重复的低压力贴装，并且能减少焊接凸点损坏，提高产品良率。 DCA(芯片直接贴装)的总目标是施加充分的力，一方面使芯片所有焊接凸点“平压”到近乎相同的高度，另一方面保证获得最大的焊接凸点高度，避免在芯片表面浸蘸助焊剂。从我们实验数据来看，在合力300g或每个焊接凸点37.5g(8焊接凸点芯片)的情况下，焊接凸点高度接近95μm；当合力接近1250g或每个焊球156g(8焊球芯片)时，就会进入焊接凸点高度低于最大助焊剂薄膜厚度的危险区。在156g时，焊接凸点高度减小到55μm左右,大致是初始焊接凸点高度的一半，或刚好高于最大助焊剂薄膜厚度50.4μm。 与原来的标准轴相比，LMR轴的冲击力大约是其三分之一（170g/600g），而且提供最小30g的可编程贴装力(标准轴150g)。因此，LMR轴对于贴装体积小焊接凸点数量少的倒装芯片比标准轴更为可取。 无论对产品良率还是缺陷成本，焊接凸点损坏都有极大的影响，许多看得到的缺陷都是在倒装芯片封装时焊接凸点过度压扁引起电气短路造成的。采用低压力解决方案可彻底消除焊接凸点损坏引起的短路，这样有助于提高产品良率并节省成本。 从图中可看到每月成本节约情况，这是根据所有产品实施低压力方案以后的LMR测试结果和产品良率而预测的成本节约。可以清楚地看到实施低压力贴装之后，良品率的改进对成本的节约有很显著的影响。很遗憾，没有任何通用规则可以确定各个焊接凸点数的理想贴装力，有很多因素会影响焊接凸点的变形程度，包括焊接凸点数量、冲击峰值、焊接凸点冶金学、施力大小和时间等。本文讨论的结果以LMR低压力法为依据，该方法会因设备制造商而异。但是不管怎样，根据当前的趋势和ITRS(国际半导体技术发展规划)制定的焊接凸点尺寸/间距，低压力贴装能力将会变得越来越重要。对于低I/O数倒装芯片，了解和规范贴装工具在冲击峰值方面的性能非常关键。就本文所提到的例子而言，良率提高了2.5%，即意味着成本得到节约。
(来源:国际电子商情)
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