倒装晶片工艺概述

来源:盛世时代 时间:2017-05-06

         基板技术是倒装晶片工艺需要应对的最大挑战。因为尺寸很小(小的元件,小的球径,小的球间距,小的贴装 目标),基板的变动可能对制程良率有很大影响:
  ·密间距贴装良率极易受限于阻焊膜和焊盘的尺寸公差;
  ·由于尺寸通常很小,对基板的变形非常敏感;
  ·基板焊盘的表面处理直接影响焊接性能和可靠性;
  ·基板的厚度也影响到产品的可靠性;
  ·由于暴露在周围环境中,水汽在基板内会导致阻焊膜和碾压层分层;
  ·使用前需要烘烤,影响整个工艺流程;
  ·储存环境需要干燥;
  ·设计师必须在基板成本、制造技术、产品功能、供应商制程能力和良率之间找到平衡点。
  基板材料一般为硬质板和柔性电路板,还有其他的一些基板材料选择,如表1所示。较普遍的使用玻纤加强的 FR-4环氧树脂材料,BT树脂材料是另外一种选择,有溴化物添加其中,要考虑对环境的影响。
  柔性电路板的材料一股为聚酰亚胺,其粘贴在铜线路上。由于制造工艺的问题,往往会有胶水被“挤出”,在 组装工艺中会产生大量气泡的现象,如图1所示。
  (1)阻焊膜
  阻焊膜一股以液态定影技术获得(LPI),也可以使用干膜法。典型的LPI材料有TaiyoPSR 4000(Aus303,Aus5……),Enthone DSR3421和Probinmer 65/74/77。不同的获得方式其厚度会不太一样 ,采用“沟槽”方式的厚度0.4~0.7 mil,一般为1~2 mil。SMD方式会有较厚的阻焊膜,厚的阻焊膜会减小晶 片下的间隙,从而影响底部填充工艺及可靠性,同时厚的阻焊膜会增加“阻焊膜阴影效应”,影响装配良率。
   基极材料选择表
    回流焊接过程中产生气泡
  阻焊膜的开孔设计和制造精度对装配良率及可靠性有非常大的影响。通常阻焊膜在铜箔上窗口精度为±3 mil@ 3 slgma,比较好的可以控制在±2 mil,而对于软板其精度会差些,在±4 mil,有时会更差。通常,阻焊膜会 有一定程度的偏移,会影响到贴装的精度。
   阻焊膜偏移导致贴片干涉及误差
  阻焊膜窗口设计时要考虑以下因素:
  ·阻焊膜窗口尺寸公差——SMtol;
  ·阻焊膜位置公差——SMre;
  ·贴片偏差——PMpe。
  不考虑阻焊膜厚度的影响,其窗口尺寸与各偏差之间的关系如图3所示。
    阻焊膜窗口与各偏差之间的关系
  如果考虑阻焊膜的厚度,我们必须要注意阻焊膜“阴影效应”。由于它的存在,使得焊球在回流焊接过程中不 能完全接触焊盘而形成完整的“可控坍塌连接”,导致焊点内应力的或者电气连接问题。
    Mt为铜箔上阻焊膜厚度;Bd为焊球直径;MShadow为阴影区,焊球不能接触焊盘。
    阻焊膜“阴影效应”示意图
  为了消除阻焊膜“阴影效应”的影响,需要适当加大阻焊膜的窗口。
  (2)焊盘的设计
  较大的焊盘可以以满足贴装设备精度要求,同时在回流焊接过程中,使焊球有足够的塌陷,让最小的焊球亦能 接触焊盘并焊接完好。但焊盘太大,会减小器件和阻焊膜之间的间隙,从而影响底部填充工艺。在设计时需要考 察供应商真正的制造能力。倒装晶片焊盘设计的一般常见的有以下几种形式。
  ①四周单排或交错排例,采用NSMD(No Solder Mask Defined)方式,铜线由焊盘之间引出至导通微孔。这种 方式常见于间距较大的设计,而对于精细间距的焊盘设计,则应用细导线技术将铜线引出,如图5所示。
  ②单独的焊盘,应用在较大的间距设计中,采用SMD(Solder Mask Defined)方式。
  ③阻焊膜“沟槽”,这种设计比较常见。所有焊盘和一部分铜线暴露在阻焊膜窗口内,这样可以降低阻焊膜窗 口偏移的影响,如图6所示。
  ④阻焊窗口直接开设在铜导线上,以暴露在窗口内的一部分铜导线作为焊盘,这也是一种常见的方式。
  焊盘的制造精度一股为±2mil@3 slgma,通常会由于过蚀而产生系统偏差。下面是我们可以经常见到的细间 距或高密度电路板制造缺陷,主要是铜箔腐蚀及阻焊膜窗口偏差的问题。
    PCB倒装晶片基准点(Fiducial)的影像处理,本文由深圳耐斯迪技术部整理,转载请注明。对于PCB倒装晶片基准点(Fiducial)的影像处理,与普通基准点的处理相似。PCB倒装晶片的贴装往往除整板基准点外(GlobalFiducial)会使用局部基准点(LocalFiducial),此时的基准点会较小(0.15~1.0mm),相机的选择参照上面的方法。对于光源的选择需要斟酌了。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。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Universal的蓝色光源专利技术就很好的解泱了此问题。
要处理细小焊球间距的PCB倒装晶片的影像,需要百万像素的数码相机。较高像素的数码相机有较高的放大倍率,但像素越高,视像区域(FOV)越小,这意味着大的元件可能需要多次影像。照相机的光源一般为发光二极管(LED),分为侧光源、前光源和轴向光源,可以单独控制。PCB倒装晶片的的成像光源采用侧光或前光,或两者结合。
  那么,对于给定元件如何选择相机呢?这主要依赖图像的算法,比如,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的Magellan数码相机为例,其区分一个焊球需要4个像素,我们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元件来选择相机。假设所获得的影像是实际物体尺寸的75%。
晶片级封装器件的可靠性
    晶片级封装(倒装芯片和UCSP)代表一种独特的封装外形,它和利用传统的机械可靠性测试的封装产品有所不同。封装的可靠性主要和用户的装配方法、电路板材料以及使用环境有关。用户在考虑使用WLP型号时应认真考虑这些问题。必须进行工作寿命测试和抗潮湿性能测试,这些性能主要由晶片制造工艺决定。
    机械压力性能对WLP而言是较大的问题,倒装芯片和UCSP直接焊接后,与用户的PCB连接,从而缓解了封装产品铅结构的内部压力。因此,必须考虑焊接触点的完整性。Dallas Semiconductor的晶片级封装装配指南14提供电路板布板考虑、装配工艺流程、焊接层丝网印刷、元件布局、回流焊温度曲线要求、环氧封装以及视觉检测标准等方面的详细信息。应用笔记189115介绍了Maxim的限定规格和测试数据的详细信息。快速浏览页提供Maxim器件的可靠性信息;公司网站提供Dallas Semiconductor器件的可靠性报告,见表4。
    Dallas Semiconductor倒装芯片和UCSP的可靠性报告 Device Applicable Reliability Reports with URL
DS2431 http://www.maxim-ic.com/reliability/dallas/Dallas-8in_CSP20_RDL_3x3.pdf
DS2401 http://www.maxim-ic.com/reliability/dallas/DS2401.pdf
http://www.maxim-ic.com/reliability/dallas/Dallas_Backgrind_FC-RDL.pdf
DS28E01 http://www.maxim-ic.com/reliability/dallas/Dallas-8in_CSP20_RDL_3x3.pdf
DS1804 http://www.maxim-ic.com/reliability/dallas/Bump%202%20layer%20underfill.pdf
http://www.maxim-ic.com/reliability/dallas/Bump%202%20layer%20w-redistribution%20underfill.pdf
DS1845 http://www.maxim-ic.com/reliability/dallas/Bump%202%20layer%20underfill.pdf
http://www.maxim-ic.com/reliability/dallas/Bump%202%20layer%20w-redistribution%20underfill.pdf
DS2406 http://www.maxim-ic.com/reliability/dallas/Bump%202%20layer%20underfill.pdf
http://www.maxim-ic.com/reliability/dallas/Bump%202%20layer%20w-redistribution%20underfill.pdf
DS2411 http://www.maxim-ic.com/reliability/dallas/DS2411A1Bump-8in.pdf
DS2415 http://www.maxim-ic.com/reliability/dallas/Bump%202%20layer%20underfill.pdf
http://www.maxim-ic.com/reliability/dallas/Bump%202%20layer%20w-redistribution%20underfill.pdf
DS2417 http://www.maxim-ic.com/reliability/dallas/Bump%202%20layer%20underfill.pdf
http://www.maxim-ic.com/reliability/dallas/Bump%202%20layer%20w-redistribution%20underfill.pdf
DS2430A http://www.maxim-ic.com/reliability/dallas/FlipChip_RDL_8in.pdf
DS2432 http://www.maxim-ic.com/reliability/dallas/Dallas-8in_CSP20_RDL_3x3.pdf
DS2433 http://www.maxim-ic.com/reliability/dallas/Bump%202%20layer%20underfill.pdf
http://www.maxim-ic.com/reliability/dallas/Bump%202%20layer%20w-redistribution%20underfill.pdf
DS2502 http://www.maxim-ic.com/reliability/dallas/DS2502Bump.pdf
http://www.maxim-ic.com/reliability/dallas/Dallas_Backgrind_FC-RDL.pdf
http://www.maxim-ic.com/reliability/dallas/FlipChip_RDL_8in.pdf
DS2760 http://www.maxim-ic.com/reliability/dallas/FlipChip_RDL_8in.pdf
DS2761 http://www.maxim-ic.com/reliability/dallas/FlipChip_RDL_8in.pdf
DS2762 http://www.maxim-ic.com/reliability/dallas/FlipChip_RDL_8in.pdf

 

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