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芯片制造中的装片工艺

学术 2024-10-28 18:01 北京

文章来源：学习那些事

原文作者：小陈婆婆

装片是将裸芯片通过导电或不导电方式安装到基板或框架等载体上，实现部分内互联并固定芯片。本文重点介绍装片工艺及其常见问题分析。

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装片工艺

装片是将裸芯片通过导电或不导电方式安装到基板或框架等载体上，实现部分内互联并固定芯片。本文重点介绍装片工艺及其常见问题分析，分述如下：

装片常见问题分析

焊料装片

焊丝焊料的装片过程详解

1.1 装片常见问题分析

1.1.1 芯片位置问题

表现：芯片倾斜、偏倚。

原因：设备精度不足；拾取系统安装设置不当（三点一线不重合）；布胶位置偏移、胶量不均、芯片底部质量差。

影响：胶联装片中，布胶准确通常可满足要求；焊料装片中，表面张力和金相反应易导致芯片倾斜和焊料层厚度失控。

1.1.2 芯片裂纹

产生过程：顶针顶出芯片，吸嘴下压吸住芯片，形成两面受力；参数设置不当（顶针冲击速度、尖锐度、数量、排布、设置高度，吸嘴下压压力）导致受力超过材料极限。

裂纹起源：芯片切割分离工序中产生的微裂纹（Mirco Crack，Die Chipping）；装片时顶针留下的针痕形成的应力集中点和内部隐藏微裂纹。

控制方法：合理设置装片参数，选择合适的工具和安装方法（如采用直径较大、质地适中的顶针）；严格把控顶针痕迹，最好肉眼看不见针痕；控制贴膜黏性，避免过高导致芯片损伤；控制切割和装片之间的等待时间，采用UV膜等特殊材料。

综上所述，装片时需要注意

设备精度与工具设置：确保设备精度和拾取系统安装设置正确，避免芯片位置问题。

布胶与胶量控制：准确布胶，避免胶量不均和位置偏移，减少芯片移动的可能性。

参数优化与工具选择：合理设置装片参数，选择合适的顶针和其他工具，减少芯片裂纹的产生。

贴膜黏性与等待时间：控制贴膜黏性，避免过高导致芯片损伤，控制切割和装片之间的等待时间。

新材料与技术应用：探索采用新材料（如UV膜）和技术（如空气顶针），提高装片质量和效率。

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1.2 焊料装片

焊料装片是半导体封装中的一个重要环节，它通过使用焊料（如锡、铅合金等）将芯片与载体（如基板或框架）固定在一起，并同时实现导电和导热的功能。这种固定方式不仅提供了机械稳定性，还为后续的内互联工艺（如线键合、倒装焊接等）创造了必要的条件。

1.2.1 焊料装片的主要步骤

准备阶段：清洁芯片和载体表面，去除油污、氧化物等杂质，以确保良好的焊接质量。涂布焊料膏或焊料片，这些焊料材料通常含有助焊剂，有助于在焊接过程中去除氧化物并促进焊料的流动。

对齐与放置：使用精密的装片机将芯片精确地放置在载体上的预定位置。这一步通常依赖于图像识别技术来确保芯片的位置精度。

焊接：将装有芯片的载体送入焊接设备中，通过加热使焊料熔化并润湿芯片和载体的接触面。焊接过程中需要控制温度、时间和气氛等参数，以确保焊接质量并避免热损伤。

冷却与固化：焊接完成后，让焊料自然冷却并固化，形成牢固的焊接接头。

检测与测试：对焊接后的产品进行外观检查，确保没有焊接缺陷（如气泡、裂纹等）。进行电性能测试，以确保焊接接头的导电性能满足要求。

1.2.2 焊料装片的常见问题及解决方案

气泡：可能是由于焊料中的气体在焊接过程中未能完全排出。解决方案包括优化焊料配方、增加预热步骤等。

裂纹：可能是由于焊接应力过大或芯片与载体之间的热膨胀系数不匹配。解决方案包括选择合适的焊料材料、优化焊接参数等。

热损伤：焊接过程中过高的温度可能导致芯片或载体上的材料发生热损伤。解决方案包括精确控制焊接温度和时间、使用热保护材料等。

位置偏移：在焊接过程中，由于焊料的流动或芯片的移动可能导致位置偏移。解决方案包括提高装片精度、优化焊接工艺等。

导电性能不佳：焊接接头可能存在导电不良的问题，这可能是由于焊料未完全润湿接触面或存在氧化物等杂质。解决方案包括提高焊料的润湿性、加强清洁处理等。

1.3 焊丝焊料的装片过程详解

在电子封装工艺中，焊丝焊料的装片过程是一个至关重要的环节。焊丝，通常为锡铅银合金焊料，其成分和性质的选择对于最终的焊接质量和器件性能有着决定性的影响。

1.3.1 焊丝成分与性质

焊丝常用的成分包括Pb92.5Sn5Ag2.5、Pb93.5Sn5Ag1.5和Pb88Sn10Ag2等。这些不同成分的焊丝具有不同的熔点和共晶点。添加少量的贵金属银不仅能提高焊料的导电性和导热性，还能改善其金相性质，有效防止在贵金属表面焊盘焊接时发生溶析溶蚀现象。

1.3.2 装片过程

焊料的装片过程与环氧树脂类型导电胶的装片过程类似，但也有所不同。

以下是焊料装片的主要步骤：

加热焊料：首先，需要将焊料加热到其熔点温度以上，使其熔化成液态。由于高温焊料的熔点在250~350℃范围内，因此整个焊料丝头需要埋在密封的加热轨道里进行加热。

布置焊料：在焊料熔化后，需要将其准确布置在框架上。为了保证焊料不被氧化，加热轨道内通常通入氮氢混合保护气体，其中含有约10%的氢。同时，由于导热功率器件的要求，框架基板材料一般采用铜。

使用压模整形：焊料布置完成后，需要使用压模（Spanker）进行整形。

压模的特殊电镀层可以有效地被整形且不会黏上焊料。压模的使用可以确保焊料在芯片上形成均匀的钎焊结构，防止芯片倾斜和应力集中。

1.3.3 控制控制焊料厚度（BLT）的关键

在焊料装片过程中，控制焊料厚度（BLT）是确保焊接质量和器件可靠性的关键。

以下是一些控制BLT的重要措施：

选择合适的压模块：压模块的选择应根据芯片尺寸和焊接要求来确定。新型压模块SSD类型虽然效率高、成型稳定，但对于不同芯片尺寸的情况需要更换不同的点焊料头，生产灵活性不够。因此，在选择压模块时需要综合考虑。

正确的设备工具安装设置：确保焊丝布敷头的对中和压模的中心在一条直线上，以及芯片中心、顶针和吸嘴中心也在一条直线上（三点一线）。这样可以确保焊料在芯片上的准确布置和整形。

合适的温度曲线：温度曲线的设置应根据焊料的熔点和共晶点来确定，以确保焊料能够充分熔化并均匀分布在框架上。

材料表面清洁：确保材料表面均匀一致并无氧化物等异物，以避免影响焊接质量和器件性能。

综上所述，焊丝焊料的装片过程需要严格控制各个环节的参数和条件，以确保最终的焊接质量和器件可靠性。通过选择合适的压模块、正确的设备工具安装设置、合适的温度曲线以及保持材料表面的清洁，可以有效地控制焊料厚度（BLT），提高焊接质量和器件性能。

END

转载内容仅代表作者观点

不代表中国科学院半导体所立场

编辑：一二

责编：六块钱的鱼

投稿邮箱：weixin@semi.ac.cn

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