據估計,1998年全球倒裝芯片(flip chip)總產量是4至6億只,其中絕大多數用于低成本的消費電子產品,如計算器和手表。近年來,計算機和通信市場也逐漸對電路板上倒裝芯片(fcob)和倒裝芯片封裝（fcip）表現出興趣,這類高端應用包括微處理器、專用集成電路和微控制器。

市場研究表明,倒裝片已經被列入基礎設施。隨著技術障礙的克服和一些新材料的面世,未來兩三年內,芯片制造將變得更加便宜,市場需求也將擴大。芯片制造行業應準備迎接新的需求熱潮。

建立集成化倒裝芯片的批量組裝線,必須考慮芯片對高清潔度和高精確定位的要求,同時也要確保組裝線適應未來的發展。

本文將介紹倒裝芯片組裝的三個主要流程——半導體元器件組裝、底層填充和焊球焊接(只適用于fcip應用),它們各自需要什么樣的設備以及工藝流程。

半導體元件組裝設備的選擇

半導體元器件組裝任務包括：焊錫膏和焊劑的分配、特高精度的重復元件拾取和放置、固化和離線清洗。 有關設備應有能力處理和運送瓷質材料、柔性電路板和多層電路板。組裝部分和傳送帶也應滿足上述所有要求。

假設我們的組裝帶有電容器,那么不同電容器就有不同的組裝方法,如：環氧樹脂粘接(epoxy)、低熔點焊接(eutectic solder)、焊球陣列 (bumped array) 的高溫焊接及低電感電容器焊接等。焊接材料可采用射流方式也可采用網印方式。如果不安裝電容器,就不需要焊料分配,也可減少一臺貼裝機,從而簡化配置。

由于無法預測將來是否需要裝配電容器,因此設備配置應具有高度的靈活性,并能夠滿足最大生產需求。高精度的多功能組裝設備,如既可組裝電容器,也可組裝倒裝芯片的設備就比較理想。盡管這類設備比較貴,但從長遠來說是合算的。

倒裝芯片組裝對視覺系統的要求非常嚴格。常用的標準照明系統無法區分金屬片和它周圍的淺色瓷基,聚酯亞胺柔性電路板也會由于柔性材料與金屬層之間對比度差而無法成像。因此組裝設備應配備特殊的照明系統。

組裝設備還要求高精度定位。現在采用絲杠(lead screw)驅動的貼裝機可以達到200微米精度,但產生的粉塵顆粒比較多,每立方米在15000-20000之間。只有采用線性馬達驅動的才能同時滿足倒裝片組裝對精度和清潔度要求,設備生成的粉塵顆粒僅為每立方米558顆粒。

倒裝芯片的貼裝速度主要取決于貼片機的主軸數、視覺系統以及送料方式等。半導體芯片的送料方式有窩伏爾組件式(waffle packs)、波浪帶式(surf tape)、卷軸式(tape & reel)和大圓片送料器(wafer handler)等。某些情況下,為了速度（微處理器、sdram）或者組裝高端記憶產品,需要多種芯片,這時應采用窩伏爾組件式傳送,在大圓片完好率低于75%時,也應考慮用窩伏爾組件式。在大圓片完好率介于75%至85%之間時,采用大圓片送料器更合適。具體而言,如果組裝是在同一工廠完成,75%的大圓片完好率,就可以采用大圓片送料器。如果組裝是在另一場地完成,因此需要額外的運輸費用時,采用大圓片送料器的大圓片完好率必須超過85%,才能獲得理想的性價比。

回流焊過程中的熱分配采用強制對流技術的烘爐。倒裝芯片貼裝過程中,不同的場地都要通過離心力來控制和保持良好的清潔狀態。

工藝流程

采用低熔點焊接(eutectic)時,焊球中應置有非電鍍鎳-磷/金鍍層,或電鍍的鉻/銅鉻/銅/金、鎳礬/銅或鈦/銅/金,焊球應該被網印或電鍍。在絕緣層上進行的典型低熔點焊接應使用低粘度或低硬度的焊劑,這樣就不需要清理。

在瓷質材料上的倒裝片回流焊要求較高的溫度,盡管焊劑在高溫下易于“焦化”,難以清潔（通常需要一個離線的批量離心清潔器）。基板材料可采用瓷、fr4/bt以及具有微導線的bum。

底層填充(underfill)設備和工藝

倒裝片質量是否能夠維持長期的穩定性,在很大程度上取決于介于芯片與基板之間填料的質量。底層填料(underfill encapsulant)可降低由熱膨脹系數失配引起的焊點定位疲勞張力,從而極大地增強可靠性。分配和固化得當的底層填料能夠均勻一致地將定位疲勞壓力分散到整個密封部件,使焊點的連接壽命延長30至50倍。

對底層填料質量影響重大的三個因素是,填料分配量的精確性、芯片和填料液體的溫度控制,以及芯片資料數據的管理。“反饋系統”可以有效管理這些變量,并確保底層填料分配適宜。同時應建立一個日志,記錄芯片的使用和spc表。

控制底層填料流體的流量,關鍵在于使用準確的流量分配泵。線性排液泵(linear positive displacement pump)使用活塞,可以靈活調整精確的排液量,是比較合適的選擇。這種泵在技術上已經有很大改進,非常適合用于分配焊錫膏或其它高粘度流體。低粘度和適用期短的填料則需要一只不受液體粘度影響的精密排液泵。

“反饋系統”的溫度控制也很重要。溫度耦合器通過比例積分微分(proportional integral differential)控制儀分析當前溫度和以前溫度變化率,并提供反饋。在“無照明”生產環境中,該系統必須能夠在分配液體之前自動地檢測溫度,并將這一數據記入spc生產