本文主要參考文獻為：Thermo-compression Bonding for Fine-pitch Copper-pillar Flip-chip Interconnect – Tool Features as Enablers of Unique Technology
- 前言
如前文所述，封裝路線(xiàn)的方向一直在向高性能輕薄化演進(jìn)，為封裝行業(yè)帶來(lái)了全新的挑戰和機遇。英特爾公司選擇了基于基板(Substrate)的TCB(Thermal Compression Bonding 熱壓鍵和)工藝以替代傳統的回流焊(Reflow)。該設備為英特爾和ASMPT公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)，并于2014年導入量產(chǎn)，該設備有著(zhù)極高的加工精度及豐富的可擴展性，不但可用于基板級封裝，還可用于晶圓級封裝，這就為英特爾在之后數年推出EMIB，Foveros等先進(jìn)封裝方式打下了扎實(shí)基礎。
圖1. 英特爾的Co-EMIB MCP (Multi-Chip-Package)封裝產(chǎn)品
圖2 英特爾的Foveros封裝(芯片堆疊工藝)
我們將會(huì )先從英特爾為什么要引入TCB，從它前一代的技術(shù)回流焊遇到了什么樣的挑戰開(kāi)始，然后介紹TCB的工藝細節，設備細節以及量產(chǎn)應用中的優(yōu)化。最后再談?wù)劰P者自己的看法。
- 回流焊工藝及其挑戰回顧
典型的倒裝回流焊如圖3所示：將芯片上的BUMP先浸蘸助焊劑，并貼在基板上。在進(jìn)入回流爐前，助焊劑的粘性可將芯片軟性固定，以防止其位置偏移，之后進(jìn)入回流爐。在特定的升溫降溫(溫度曲線(xiàn)如圖4)下，凸點(diǎn)焊球會(huì )熔化為液態(tài)，在潤濕銅微柱的過(guò)程中基于表面張力使得芯片回流對位，最后在降溫作用下變成固相連接。
圖3 芯片貼裝流程 Flux Film: 助焊劑層，Flux Pot: 助焊劑容器，Flux Dipping: 助焊劑浸蘸， Position Flip chip on the substrate: 將芯片倒置對準基板上， Place Flip chip onto substrate: 將芯片放置于基板上，Reflow:回流焊，Flip chip soldering completed: 完成芯片倒裝焊
圖4 標準的回流焊曲線(xiàn)
- TCB 工藝介紹
但是由于超薄產(chǎn)品的引入，回流焊的缺陷率就開(kāi)始增加如圖5所示：翹起，非接觸性斷開(kāi)，局部橋接等?；亓骱傅牧硗庖粋€(gè)不足在于，芯片的位置容易發(fā)生偏移，一是料盤(pán)/載具在傳輸過(guò)程中受震動(dòng)影響，二是回流過(guò)程中芯片的自由偏移。焊接凸點(diǎn)間距(Pitch)越小，芯片尺寸越大，則偏移失效越嚴重。
圖5 回流焊流程中的各種缺陷
正是由于以上回流焊中的缺陷率越來(lái)越高，英特爾引入了TCB工藝。具體流程為：1， 基板(Substrate)在涂覆Flux后，被真空吸附固定在定制的加熱板上。2，貼片頭(BondHead)吸起芯片(Die)，芯片在真空吸附下平整的貼合吸頭(Nozzle)之下。3，光學(xué)相機輔助定位，基板所在的解熱板位置微移，與芯片完成對位。4，BondHead向下運動(dòng)，直到接觸到基板的時(shí)候停止。5，Bondhead加載一個(gè)壓應力，同時(shí)芯片會(huì )被快速加熱直至錫球熔化溫度。6，在錫球熔化的一刻，BondHead會(huì )將芯片繼續向下走微小的距離，以確保所有的凸點(diǎn)能夠連接。7，芯片在該高度保持數秒，確保錫球完全熔化浸潤芯片和基板上的連接點(diǎn)。8，之后在熔融狀態(tài)下，BondHead向上提升一定的高度，以得到預期的焊接高度。9，最后，BondHead快速降溫，錫焊變?yōu)楣滔?。Bondhead釋放真空，回到待機位置。
在整個(gè)過(guò)程中，TCB會(huì )實(shí)時(shí)監測BondHead的溫度(Temperature)，吸頭的應力( Bond Force)和Z方向的位移 (Bond Head Z Postion)，其曲線(xiàn)如圖6所示。整個(gè)焊接過(guò)程不超過(guò)4秒。
圖6 TCB 焊接過(guò)程中曲線(xiàn)圖
在TCB焊接過(guò)程中，錫球（Solder Ball）由固態(tài)轉變?yōu)橐簯B(tài)的一步非常關(guān)鍵，會(huì )相應觸發(fā)BondHead由應力控制轉為位置控制。另外一個(gè)有趣的現象就是錫球液化后的表面張力的影響，在壓力曲線(xiàn)上會(huì )產(chǎn)生負值。由于該效應比較微弱，很容易與其他失效混淆，增加了信號識別難度。
- TCB設備細節詳述
TCB 設備外觀(guān)
TCB設備的心臟是貼片頭(Bond Head)，由線(xiàn)性伺服馬達(Linear Servo Motor)驅動(dòng)空氣軸承(Air Bearing)運動(dòng)，如圖7所示。有賴(lài)于高精度的伺服系統以及無(wú)摩擦的空氣軸承導軌，垂直方向的運動(dòng)精度可以控制在1um以?xún)?，從而?shí)現錫球熔化過(guò)程下的微移動(dòng)的精準控制。
貼片頭配備了應力控制單元(Force Sensor)，快速升降溫脈沖加熱器(Pulse Heater)，還配備了一套主動(dòng)傾斜控制系統(Active Tip Tilt，專(zhuān)利號US8387851B1)。
主動(dòng)傾斜控制系統(Active Tip Tilt)可以精確調節脈沖加熱器的共面度，使其與基板(Substrate)所在的加熱板(Hot Pedestal)的表面完美貼合，在22mm x 33mm的區域內，可使上下兩個(gè)平面共面間距不超過(guò)3um，幾乎可以消除芯片翹起相關(guān)的失效。
壓力傳感器(Force Sensor)與壓力傳動(dòng)方向同步，可實(shí)時(shí)監測貼片頭在垂直方向運動(dòng)中的應力反饋，從而得知芯片在貼片過(guò)程中的受壓狀態(tài)。線(xiàn)性伺服馬達驅動(dòng)可提供貼片頭超過(guò)10N的貼片壓力，壓力伺服控制反饋系統可提供0.05N壓力控制精度。
脈沖加熱器(Pulse Heater)可提供每秒超過(guò)100度的升溫速率，以及超過(guò)50度/秒的降溫速度，這樣從約400度（貼片過(guò)程中的最高溫度）降到待機150度只需5秒左右?？焖偕郎亟禍啬芰梢员苊膺^(guò)多的熱量持續加載給基板，并且顯著(zhù)縮短貼片所需時(shí)間。
加熱單元中的組件得到充分工程優(yōu)化，有良好的溫度均一性，以及100度/秒的升溫速率下，在22mm x 33mm區域內加熱塊表面的溫度差異不超過(guò)10度。由此保證了芯片和基板的接觸面錫球可以同步熔化。
貼片頭使用的芯片吸頭(Nozzle)為片狀，尺寸與芯片尺寸匹配，材質(zhì)為單晶，有極佳的導熱性能，內有真空通道，可以將芯片牢牢吸附固定，且芯片吸頭可以自動(dòng)更換，可實(shí)現同一個(gè)基板貼裝若干尺寸不同的芯片。
圖7，焊接裝置示意圖（顯示貼片頭到焊接平臺堆疊細節）
涂覆有液態(tài)助焊劑(Flux)的基板真空固定在加熱板(Pedestal)上，加熱板所在的平臺(Bond Stage)坐落在空氣軸承之上，在線(xiàn)性伺服馬達驅動(dòng)下進(jìn)行無(wú)摩擦的水平移動(dòng)。加熱板最高可被加熱到200度，在基板的貼片過(guò)程中可以精準控制基板的溫度。芯片和基板通過(guò)上下同軸的高分辨率的相機系統對位(Up Looking and Down Looking Optics)，該相機系統是熱控設計，可避免圖像因高溫畸變，如圖8所示。高精度的相機，以及無(wú)摩擦氣墊運動(dòng)的基板平臺，保證了芯片和基板的極小的水平位置偏差，22mm x 33mm的芯片的偏移可小于2.5um且滿(mǎn)足Cpk 1.33。
圖8，焊接裝置示意圖（顯示平臺和設備內腔）
貼片頭，光學(xué)相機板以及真空加熱板都位于密閉的腔體內，如圖8所示。冷卻板(Cooling Plate)將整個(gè)腔體分為上方的大的惰性氣體腔(Macro Inter Chamber)和小的惰性氣體腔(Micro Inert Chamber)，冷卻板的正中央有一個(gè)開(kāi)孔，貼片頭的芯片通過(guò)此開(kāi)孔與基板結合。冷卻板可以防止下方大尺寸的加熱板的熱量傳遞到上方腔體，以避免影響貼片頭和光學(xué)相機板的功能。芯片轉移臂把芯片轉運到冷卻板的中央開(kāi)孔處，之后貼片頭向下運動(dòng)將芯片吸起，芯片轉移臂復位后，貼片頭進(jìn)一步向下運動(dòng)，穿過(guò)中央開(kāi)孔，將芯片貼置于基板上。上方密封腔充滿(mǎn)了氮氣(N2)，將氧氣的濃度控制在100ppm以下，以防止芯片在加熱過(guò)程中的氧化。同時(shí)下方密封腔也有氮氣氣流，氧氣的濃度同樣控制在100ppm以下，以保護基板在加熱過(guò)程中不被氧化。
圖9，共面性測量
基板加熱板(Pedestal)和貼片頭的加熱體(heater)的下表面之間的共面性是通過(guò)一對高精度的電容型傳感器(Capacitive Sensors)測量的，該測量系統申請了專(zhuān)利（專(zhuān)利號：US8875979B2），如圖9所示。電容傳感器內置于光學(xué)相機板之上，可隨著(zhù)相機板以在貼片頭和加熱板之間水平移動(dòng)。上下傳感器成對同步工作，分別測量上方到貼片頭的距離和下方到加熱板的距離，兩個(gè)距離之和為貼片頭和加熱板點(diǎn)對點(diǎn)的距離。隨著(zhù)水平方向的移動(dòng)，可測量整個(gè)共面性。實(shí)際應用中，取芯片所在區域的4個(gè)角落(A,B,C,D)進(jìn)行測量，用4個(gè)間距的最大差值來(lái)衡量共面度。貼片頭的主動(dòng)傾斜系統可將貼片頭適度傾斜，使貼片頭與下方加熱板平行，滿(mǎn)足微米級的共面度，這樣芯片和基板之間的整體距離可以達到一致。
- 量產(chǎn)(HVM)過(guò)程中控制貼片質(zhì)量的要素及優(yōu)化
如圖10為T(mén)CB封裝的產(chǎn)品凸點(diǎn)錫焊鍵合的剖面圖，芯片-基板間距控制良好，焊接過(guò)程不超過(guò)4秒。
圖10，TCB焊接剖面圖
基板和芯片將賦予不同的加熱溫度，以減少兩者的膨脹效應差距?；逯饕蓴祵佑袡C材料構成，其翹曲效應受溫度的變化影響較大，而芯片的形變則顯著(zhù)低于基板?；宓募訜釡囟缺３衷谳^低的程度（如140度左右），而芯片則在脈沖加熱器的作用下快速加熱（超過(guò)100度/秒）和快速降溫（超過(guò)50度/秒），這樣可以顯著(zhù)減少熱量傳導給基板，貼片過(guò)程中基板可持續保持在較低的溫度而不會(huì )過(guò)度膨脹。
其他一些有助于貼片質(zhì)量的工藝優(yōu)化：1. 在芯片與基板對位之前，芯片已經(jīng)被加熱到待機溫度（約220度）；2. 對位光學(xué)相機是熱控設計的，可以保證高溫測量的精度；3. 基板加熱板的真空通路系統與基板有著(zhù)良好的圖案匹配度，基板在加熱狀態(tài)下可適度軟化，在強力真空作用下貼合更平整，共面度更高。
TCB貼片頭垂直方向選用了ZERODUR光柵尺，以提供高精度的垂直位置控制，從而能夠精準的識別到錫球固液相變以及隨后的精細位移控制。貼片頭與基板加熱板的熱膨脹校準，用以補償貼片頭的垂直移動(dòng)距離，從而更進(jìn)一步提高精度，尤其是在固液相變以及錫液界面收縮過(guò)程中。每顆芯片在貼裝過(guò)程中都會(huì )檢測共面度，并反饋給貼片頭主動(dòng)傾斜補償，以滿(mǎn)足3um的共面度。在芯片和基板之間的錫焊完全固化前，提前釋放真空吸附的芯片也可導致芯片翹起失效。適當增加貼片頭的等待時(shí)間可以有效避免該失效。另外一種替代方法，即通過(guò)壓力傳感器的信號監測錫焊固化。冷卻過(guò)程中，錫焊固化會(huì )將貼片頭向下?tīng)砍?，表現為張力信號的增加。
- 量產(chǎn)中的工藝過(guò)程控制
為了滿(mǎn)足可靠量產(chǎn)的需要，不同的TCB之間的輸入輸出經(jīng)過(guò)校準后，其性能可都到一致性匹配。這樣生產(chǎn)同一個(gè)產(chǎn)品時(shí)，所有的TCB設備會(huì )下載相同的工藝參數，不需要針對某一臺TCB設備再單獨設置。應用PCS（過(guò)程控制系統）監測重要的工藝指標參數。如果指標參數與目標值嚴重背離（如貼片頭的壓力，高度和溫度等），PCS系統會(huì )將設備自動(dòng)停止，并指導操作員做出相應的響應。PCS系統之外還集成了統計分析能力，可以反映每臺設備的性能趨向，用于決定是否觸發(fā)設備維護。充分利用強大的日志文件。貼片過(guò)程中的日志文件可以有效反映生產(chǎn)過(guò)程中的各種缺陷，如外來(lái)異物，助焊劑不足等等（如圖11，圖12所示），方便操作人員及時(shí)定位失效原因并給予修復。
圖11異常焊接記錄顯示當出現其它物質(zhì)時(shí)的曲線(xiàn)圖
圖12異常焊接記錄顯示當出現助焊劑不足時(shí)的曲線(xiàn)圖
寫(xiě)在最后，英特爾公司采用的全新的TCB技術(shù)讓人眼前一亮，在封裝領(lǐng)域匹配了晶圓設備的性能。然而該工藝的特點(diǎn)以及精密的部件注定其成本不會(huì )低廉，維護諸多不易，應用場(chǎng)景較為苛刻。相信隨著(zhù)ASMPT公司對該設備的進(jìn)一步優(yōu)化且簡(jiǎn)化，并深度客戶(hù)定制，業(yè)界采用該技術(shù)用于量產(chǎn)的公司會(huì )越來(lái)越多。
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