考虑到倒装芯片基材是比较脆的硅,若在取料、助焊剂浸蘸过程中施以较大的压力容易将其压裂,同时细小的焊凸在此过程中也容易压变形,所以尽量使用比较低的贴装压力。一般要求在150g左右。
对于超薄形芯片,如0.3mm,有时甚至要求贴装压力控制在35g。
对贴装精度及稳定性的要求
对于球间距小到0.1mm的器件,需要怎样的贴装精度才能达到较高的良率?基板的翘曲变形,阻焊膜窗口的尺寸和位置偏差,以及机器的精度等,都会影响到最终的贴装精度。关于基板设计和制造的
情况对于贴装的影响,我们在此不作讨论,这里我们只是来讨论机器的贴装精度。
芯片装配工艺对贴装设备的要求
为了回答上面的问题,我们来建立一个简单的假设模型:
1.假设倒装芯片的焊凸为球形,基板上对应的焊盘为圆形,且具有相同的直径;
2.假设无基板翘曲变形及制造缺陷方面的影响;
3.不考虑Theta和冲击的影响;
4.在回流焊接过程中,器件具有自对中性,焊球与润湿面50%的接触在焊接过程中可以被“拉正”。 那么,基于以上的假设,直径25μm的焊球如果其对应的圆形焊盘的直径为50μm时,左右位置偏差(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(图9)。对于焊球直径为25μm的倒装芯片,工艺能力Cpk要达到1.33的话,要求机器的最小精度必须达到12μm@3sigma。
图9
对照像机和影像处理技术的要求
要处理细小焊球间距的倒装芯片的影像,需要百万像素的数码像机。较高像素的数码像机有较高的放大倍率, 但是,像素越高视像区域(FOV)越小,这意味着大的器件可能需要多次“拍照”。照像机
的光源一般为发光二极 管,分为侧光源、前光源和轴向光源,并可以单独控制。倒装芯片的的成像光源采
用侧光、前光,或两者结合。
那么,对于给定器件如何选择像机呢?这主要依赖图 像的算法。譬如,区分一个焊球需要N个像素,则区分球间 距需要2N个像素。以环球仪器的贴片机上Magellan数码像机为例,其区分一个焊球需要4个像素,我们用来看不同的 焊球间隙所要求的最大的像素应该是多大,这便于我们根 据不同的器
件来选择相机,假设所有的影像是实际物体尺寸的75%。
倒装芯片基准点(Fiducial)的影像处理与普通基准 点相似。倒装芯片的贴装往往除整板基准点外(Global fiducial)会使用局部基准点(Local fiducial),此时的基 准点会较小(0.15-1.0mm),像机的选择参照上面的方 法。对于光源的选择需要斟酌,一般贴片头上的相机光源 都是红光,在处理柔性电路板上的基准点时效果很差,甚至找不到基准点,其原因是基准点表面(铜)的颜色和基 板颜色非常接近,
色差不明显。如果使用环球仪器的蓝色光源专利技术就很好的解决了此问题。
图10 吸嘴的选择
由于倒装芯片基材是硅,上表面非常平整光滑,最好选择头部是硬质塑料材料具多孔的ESD吸嘴。如果选择头部 为橡胶的吸嘴,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。
对助焊剂应用单元的要求
助焊剂应用单元是控制助焊剂浸蘸工艺的重要部分, 其工作的基本原理就是要获得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一致。 要精确稳定的控制助焊剂薄膜的厚度,
同时满足高速浸蘸的要求,该助焊剂应用单元必须满足以下要求: 1.可以满足多枚器件同时浸蘸助焊剂(如同时浸蘸4或7枚)提高产量;
2.助焊剂用单元应该简单、易操作、易控制、易清洁;
3.可以处理很广泛的助焊剂或锡膏,适合浸蘸工艺的 助焊剂粘度范围较宽,对于较稀和较粘的
助焊剂都 要能处理,而且获得的膜厚要均匀;
4.蘸取工艺可以精确控制,浸蘸的工艺参数因材料的不同而会有差异,所以浸蘸过程工艺参数必
须可以单独控制,如往下的加速度、压力、停留时间、向上的加速度等。
图11 对供料器的要求
要满足批量高速高良率的生产,供料技术也相当关键。倒装芯片的包装方式主要有这么几种:2×2或4×4英 JEDEC盘、200mm或300mm圆片盘(Wafer)、还有 卷带料盘(Reel)。对应的供料器有:固定式料盘供料器 (Stationary tray feeder),自动堆叠式送料器(Automated stackable feeder),
圆片供料器(Wafer feeder),以及带式供料器。
所有这些供料技术必须具有精确高速供料的能力,对于圆片供料器还要求其能处理多种器件包装方式,譬如: 器件包装可以是JEDEC盘、或裸片,甚至完成芯片在机器内完成翻转动作。
我们来举例说明几种供料器. Unovis的裸晶供料器(DDF Direct Die Feeder)特点:
·可用于混合电路或感应器、 多芯片模组、系统封装、RFID和3D装配
·圆片盘可以竖着进料、节省空间,一台机器可以安装多台DDF
·芯片可以在DDF内完成翻转
·可以安装在多种贴片平台上,如:环球仪器、西门子 、安必昂、富士
对板支撑及定位系统的要求
有些倒装芯片是应用在柔性电路板或薄型电路板上,这时候对基板的平整支撑非常关键。解决方案往往会用到 载板和真空吸附系统,以形成一个平整的支撑及精确的定位系统,满足以下要求:
1.基板Z方向的精确支撑控制,支撑高度编程调节;
2.提供客户化的板支撑界面; 3.完整的真空发生器; 4.可应用非标准及标准载板。
回流焊接及填料固化后的检查
对完成底部填充以后产品的检查有非破坏性检查和破坏性检查,非破坏性的检查有: ·利用光学显微镜进行外观检查,譬如检查填料在器件侧面爬升的情况,是否形成良好的边缘圆
角,器件表面是否有脏污等
·利用X射线检查仪检查焊点是否短路,开路,偏移,润湿情况,焊点内空洞等
·电气测试(导通测试),可以测试电气联结是否有 问题。对于一些采用菊花链设计的测试板,
通过通断测试还可以确定焊点失效的位置
·利用超声波扫描显微镜(C-SAM)检查底部填充后 其中是否有空洞、分层,流动是否完整 破坏性的检查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谱分析仪(SEM/EDX),检查焊点的微观结构,例如,微裂纹/微孔,锡结晶,金属间化合物,焊
接及润湿情况,底部填充 是否有空洞、裂纹、分层、流动是否完整等。
完成回流焊接及底部填充工艺后的产品常见缺陷有: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破裂等。对于底部填充是否完整,填料内是否出现空洞,裂纹和分层现象,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
显微镜才能观察到,这给检查此 类缺陷增加了难度。