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在标准表面安装工艺中集成倒装芯片
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Integrated Flip-Chip in Standard Surface Mount
Technology
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引言
倒装芯片技术可以降低成本、增加产量，以及减少整体的工艺步骤。如果公司转用倒装芯片设计，并为安装工艺选择合适的设备和材料，上述优势即唾手可得。
倒装芯片装配工艺
要将倒装芯片技术整合到现有的产品设计中，必须对标准SMT工艺作出许多改进。倒装芯片器件的贴装通常可利用现有的贴片机来完成，而倒装芯片的充胶工艺的确需要专门的设备。典型的倒装芯片生产线通常由助焊、置放和回流焊部分构成，以及独立的充胶和固化部分。
助焊剂步骤所采用的材料和方法会对生产的可靠性和产量产生很大的影响。浸渍和喷涂助焊是最常用的两种方法。喷涂所采用的大部分助焊剂都是称作"无残渣液体"助焊剂，其酒精含量达98
-99%。在置放之前将助焊剂喷到基板上，由于酒精在室温下会迅速挥发，在电路板处理和回流焊的过程中，剩余助焊剂的粘性不足以固定倒装芯片，会导致芯片移位。因此，可以采用浸渍法为倒装芯片元件涂上粘性助焊剂。通常，浸渍法用刮胶刀将免洗助焊剂涂敷到可以旋转的平台上，形成一层薄膜。这样芯片锡球就可以浸泡在助焊剂中，并贴装到基板上。
与不能为芯片提供粘着性的液体助焊剂相比，粘胶助焊剂可在加工时确保芯片不移位。因而，出现问题的可能性不大。助焊剂和底部充胶剂的选择应根据芯片钝化、锡球冶金、基板、焊接掩膜和焊盘冶金等来决定。在确定浸泡助焊工艺的工艺窗口时，详细了解锡球高度分布和可能的锡球缺陷非常重要。
助焊剂膜的最小厚度取决于芯片内锡球高度的变化。要确保芯片上的良好焊接状况，所有的锡球都必须浸泡到助焊剂中。要建立适合涂敷助焊剂的工艺窗口，可以利用裸板先进行试验。
贴装阶段
倒装芯片元件的处理可在托盘外进行。当考虑在贴片机上装配倒装芯片时，需要进行数项配置选择，包括光学分辨率、照明几何结构、加工能力、贴片工具和基板支架工具。由于倒装芯片的连接介面是焊球，仅采用简单的芯片边缘技术并不足以对倒装芯片进行定位和贴装。
要避免倒装芯片贴片的方向错误，应采用不对称的可编程锡球图样来识别。贴片机必须具有足够的光学分辨率、照明结构和处理能力，能将锡球图样定位在倒装芯片的底部。贴片机还须具有固有的精度，以便将芯片精确地贴装在基板上。此外，吸嘴必须具备合适尺寸，并采用适当的材料制成，确保当芯片浸泡到助焊剂中时(粘性助焊剂)，芯片不会落入助焊涂胶机，并且协助芯片与吸嘴在贴片时的脱离过程。
最后，基板支架必需牢牢地固定住基板，确保不会因为贴片而产生位移。印刷时，良好的支架装置不仅能支撑基板，还能简化操作，避免基板在回流和固化炉中由于松垂而产生翘曲和变形。在选择贴片结构时，还需要考虑其它与特定工艺相关的问题。
贴片工艺的产量取决于许多参数，包括电路板的容差(焊接掩膜、铜层)、焊垫设计和贴片精度等。焊接掩膜的容差是影响倒装芯片装配产量的重要因素之一。因此有必要进行不同的参数试验，使焊接掩膜的效应降至最小。例如，由于所要求的焊垫设计不同，间距越小，焊接掩膜的配准效应越明显，因此，对贴装精度和焊接掩膜容差的要求也越高。
底部充胶阶段
图1所示为影响充胶工艺的参数综述，各种不同材料间的多种相互作用清楚地表明，所采用的材料必需作为一个系统来对待，一旦某种材料或设备发生变化，则整个系统必须进行重新评估。
特别是，流动温度、点胶路径和时间的工艺窗口必须根据各个特定的应用和材料来建立。更重要的是，与所选的材料一样，这些参数会对器件的可靠性产生重大影响。
在加工过程中，板和芯片上的污染物也会对充胶工艺和总体可靠性产生重要影响。由于焊接的工序非常严谨，并不需要使用清洁室，但仍需操作人员使用手套来装卸电路板，避免在充胶固化前，电路板会受到灰尘颗粒和化学物质的污染.
应避免在发生印刷错误后清理过程中或在维修时沾污电路板。在充胶前将部件暴露在潮湿的环境下，会影响其可靠性。不幸的是，暴露于潮湿环境下的容限取决于基板的设计和材料，以及对可靠性的要求。
要确保高产量以及获得良好的可靠性，便需对材料进行检查，并在生产过程中进行测试。正如之前所述，装配产量和必要的工艺参数乃由基板和芯片质量决定。因此，需要监控这些材料的质量.
影响工艺的因素
特别地，如果影响工艺的因素发生任何变化，例如采用新的清洁工序或加工流程处理基板，以及凸块形成技术和充胶材料发生任何变化，都必需加以考虑，以评估其对工艺的影响。
此外，基板的容差必须密切监控，以确保在装配生产中达到高产量。为了保证质量，必须了解凸块形成工艺及监控锡球的高度分布。另外，可以对锡球进行剪切力测试，以找出锡球的系统性界面弱点。根据采用的锡球凸块形成技术，失效模式的变化或剪切力，可以指出晶圆批次中存在的系统性问题。这些变化可表明芯片或焊球的底部锡球金属化(UBM)的缺点和可能存在的界面问题。
材料
底部充胶剂属性的批次变化通常难以察觉。底部充胶要求的储存温度为-40 C以下，如在室温下则会迅速老化。运输和存储时的温度变化会对充胶材料的性能造成很大影响。通过简单的标准化测试可以监控底部充胶剂批次的变化。可能进行的测试是流动测试和基底润湿角度的测量.
材料的选择是元器件可靠性和工艺能力的最关键因素之一。例如，热质低的材料易于实现均匀的加热在回流， 底部充胶和固化过程中。
离线X光测试设备会用来进行焊接质量的常规测试。由于采用了带接触轨道的圆形焊垫设计，在这种情况下，采用一个两维X射线已足以检测焊接的质量。图2所示为焊垫几何形状产生的可见焊点构造。因为锡球在回流过程中不会变形，所以可以轻易地探测基板上的不浸润焊垫。
其它可观测的失效形式还包括虚焊和搭接。产生搭接的原因是挤压出来的焊剂填塞了焊球间的空隙。由焊球的间距所决定，这些空隙能够将两个焊点连接起来，从而在热循环或附加回流时造成搭接。图3和图4所示为一些典型的失效情况。由于焊球间距较大，达到400
m，在这种特定的应用领域中出现失效的风险很小。
充胶工艺的质量是通过声学显微镜来监控的。由于不希望所有的配件都浸没到水里来测试，因此采用了抽样的方法去检测虚空和不完善的充胶过程。另外也可进行破坏性的测试，用磨削方法将芯片从配件上取下，以检查充胶层的状况。
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