倒裝芯片鍵合設(shè)備助焊劑蘸取機(jī)構(gòu)漏膠問題分析與解決

郎 平 ，水立鶴 ，沈會(huì)強(qiáng) ，高 澤 ，潘 峰

(1.北京中電科電子裝備有限公司，北京100176；2.中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京100176)

倒裝芯片鍵合設(shè)備助焊劑蘸取機(jī)構(gòu)漏膠問題分析與解決

郎 平1、2，水立鶴1、2，沈會(huì)強(qiáng)1、2，高 澤1、2，潘 峰2

(1.北京中電科電子裝備有限公司，北京100176；2.中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京100176)

助焊劑蘸取機(jī)構(gòu)是倒裝芯片鍵合設(shè)備中的核心機(jī)構(gòu)，其可靠性直接關(guān)系到鍵合后產(chǎn)品的質(zhì)量。通過一系列實(shí)驗(yàn)找到了該機(jī)構(gòu)漏膠的原因，對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，解決了漏膠問題，提升了設(shè)備可靠性。

倒裝芯片；鍵合設(shè)備；助焊劑蘸取機(jī)構(gòu)

隨著市場對(duì)終端產(chǎn)品尺寸要求越來越小，各種電子產(chǎn)品都朝著小型化、微型化和集成化的方向發(fā)展，各種電子產(chǎn)品中的芯片尺寸越來越小，芯片I/O接口越來越多，傳統(tǒng)的正裝芯片鍵合（die bonding）和引線鍵合（wire bonding）的芯片安裝與互連方式已經(jīng)難以滿足芯片高密度封裝工藝的技術(shù)要求，從而制約了封裝產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展[1-3]。倒裝芯片鍵合（flip chip bonding）是一種新興的封裝技術(shù)，是芯片與基板直接安裝互連的一種方法，相對(duì)于傳統(tǒng)的正裝芯片鍵合和引線鍵合芯片安裝與互連方式而言，倒裝芯片鍵合中芯片的電氣面朝下，芯片上的焊區(qū)直接與基板上的焊區(qū)互連；而傳統(tǒng)的正裝芯片安裝與互連法通常都是芯片面朝上安裝互連（如圖1、圖2所示）。

圖1 倒裝芯片鍵合芯片

圖2 正裝芯片鍵合芯片

傳統(tǒng)的正裝芯片鍵合和引線鍵合的芯片安裝與互連方式中，只使用芯片四周的區(qū)域作為連接區(qū)域，而倒裝芯片鍵合技術(shù)中凸點(diǎn)技術(shù)是使用整個(gè)芯片的表面作為連接區(qū)域，因此倒裝芯片鍵合技術(shù)的封裝密度（I/O密度）更高，用這項(xiàng)技術(shù)可以把器件的尺寸做得更小，封裝的高度做得更低；另外，倒裝芯片鍵合技術(shù)使得芯片與基板互連線非常短，因此互連產(chǎn)生的雜散電容、互連電阻和互連電感均比引線鍵合連接方式小得多，從而更適合高頻、高速的電子產(chǎn)品的應(yīng)用。另外倒裝芯片鍵合技術(shù)使得芯片的安裝和互連是同時(shí)完成的，這也大大簡化了安裝互連工藝[4]。因此倒裝芯片鍵合技術(shù)必將得到越來越廣泛的應(yīng)用。

倒裝芯片鍵合設(shè)備是實(shí)現(xiàn)倒裝鍵合工藝的一種專用設(shè)備，其工作原理如圖3所示。

翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)從藍(lán)膜上將凸點(diǎn)向上的芯片拾起，并翻轉(zhuǎn)180°；鍵合機(jī)構(gòu)從翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上將芯片拾起，此時(shí)芯片凸點(diǎn)方向向下；鍵合機(jī)構(gòu)帶動(dòng)芯片Z向運(yùn)動(dòng)，使得芯片上的凸點(diǎn)在助焊劑蘸取機(jī)構(gòu)上均勻蘸取助焊劑；鍵合機(jī)構(gòu)Z向運(yùn)動(dòng)將芯片鍵合在基板上，隨后基板被傳入回流爐進(jìn)行回流焊接。

圖3 倒裝芯片鍵合設(shè)備工作原理

圖4 助焊劑蘸取機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖

1 助焊劑蘸取機(jī)構(gòu)工作原理

助焊劑蘸取機(jī)構(gòu)是倒裝芯片鍵合設(shè)備上的核心機(jī)構(gòu)，其主要功能是為芯片上的凸點(diǎn)提供助焊劑，保證每次芯片凸點(diǎn)上可以均勻的蘸取到助焊劑，而助焊劑的主要作用是：在回流之前起到固定芯片的作用，在回流過程中起到清潔、濕潤焊接表面以增強(qiáng)可焊性的作用，芯片上的凸點(diǎn)蘸取助焊劑的數(shù)量是否合理，分布是否均勻，直接影響到回流焊接完成的產(chǎn)品質(zhì)量。我公司某款設(shè)備上助焊劑蘸取機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖如圖4所示，其工作原理為：直線導(dǎo)軌固定在底座上，膠板通過膠板固定座固定在直線導(dǎo)軌的滑塊上，其由電機(jī)帶動(dòng)沿直線導(dǎo)軌做直線往復(fù)刮膠運(yùn)動(dòng)；膠盒為中空結(jié)構(gòu)，其空腔中裝有助焊劑，膠盒被左壓桿和右壓桿通過左頂絲、右頂絲、壓緊座壓在膠板的上方，與膠板緊密貼合；左支座和右支座與底座固定，其上開有U形槽，膠盒的兩端正好放置在U形槽中，防止膠板在做直線運(yùn)動(dòng)時(shí)由于摩擦力的原因帶動(dòng)膠盒一塊運(yùn)動(dòng)；膠板上加工有一定深度的承膠槽，其深度根據(jù)芯片上凸點(diǎn)的尺寸大小不同而不同，當(dāng)膠板向前伸出時(shí)，膠盒固定不動(dòng)，其中的助焊劑便漏入到承膠槽中，并且被膠盒的下表面刮平；當(dāng)芯片在承膠槽中蘸取完助焊劑后，膠板向反方向運(yùn)動(dòng)，縮回到膠盒下方，膠盒中的助焊劑再次流入到承膠槽中，然后膠板向前運(yùn)動(dòng)，從膠盒下伸出，承膠槽中的助焊劑再次被膠盒下表面刮平，從而進(jìn)行下一次助焊劑蘸取動(dòng)作。

2 問題的分析與解決

2.1 存在的問題

我公司設(shè)計(jì)的某款助焊劑蘸取機(jī)構(gòu)在測試中發(fā)現(xiàn)有比較嚴(yán)重的漏膠（助焊劑從膠盒中泄露出）現(xiàn)象（如圖5所示），漏膠一方面會(huì)造成助焊劑使用量增加，從而增加客戶的成本；另一方面更為嚴(yán)重的是泄漏的助焊劑會(huì)造成承膠槽中助焊劑厚度發(fā)生變化，導(dǎo)致芯片凸點(diǎn)上蘸取的助焊劑的數(shù)量無法滿足工藝要求，均勻性無法保證，造成客戶產(chǎn)品良率下降，因此這個(gè)問題迫切需要得到解決。

圖5 漏膠現(xiàn)象

2.2 漏膠原因

助焊劑的泄漏肯定是由于膠板和膠盒沒有緊密貼合造成的，所以經(jīng)過分析，我們首先懷疑到是膠板和膠盒的接觸平面出了問題，發(fā)生了磨損或變形，造成了漏膠現(xiàn)象，因此我們對(duì)這兩個(gè)零件進(jìn)行了外觀和平面度檢測（如圖6所示），結(jié)果發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)零件的接觸表面沒有明顯的劃痕，平面度也達(dá)到了圖紙上的設(shè)計(jì)要求，沒有問題。

圖6 膠板和膠盒檢測

接下來經(jīng)過分析我們發(fā)現(xiàn)膠盒的壓緊機(jī)構(gòu)存在問題：當(dāng)膠板在做直線運(yùn)動(dòng)時(shí)其與底座的平行度必然在不斷發(fā)生微量變化，而膠盒是被左壓桿和右壓桿用頂絲壓緊在膠板上的，沒有任何柔性機(jī)構(gòu)，因此喪失了對(duì)膠板與底座平行度變化的補(bǔ)償，因此隨著平行度的變化，膠板與膠盒之間時(shí)而貼合時(shí)而分離，從而導(dǎo)致了漏膠現(xiàn)象的發(fā)生，如圖7所示。

圖7 漏膠原因分析

在我們測試膠板表面與底座平行度時(shí)，我們又發(fā)現(xiàn)了新的問題：膠盒壓在膠板的不同位置時(shí)膠板與底座之間的平行度變化很大，因此我們又進(jìn)行了以下測試：分別測試不壓膠盒、膠盒壓在膠板的后部、中部和前部時(shí)膠板上4個(gè)位置與底座的高度差（如圖8所示），我們重復(fù)測量了三次，結(jié)果如表1～表3所示(表中沒有數(shù)據(jù)的位置是由于膠盒遮擋而無法測量)。從結(jié)果可以看出，不壓膠盒時(shí)膠板4個(gè)位置的高度差最大為13 μm，當(dāng)膠板運(yùn)動(dòng)到不同的位置時(shí)膠板上4個(gè)位置的高度差在不斷發(fā)生變化，最大差值達(dá)到約50 μm，當(dāng)膠盒壓在膠板的不同位置時(shí)膠板與底座的平行度是在不斷發(fā)生變化的。

圖8 膠板在不同位置時(shí)與底座平行度檢測

通過上面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)膠盒壓在膠板的不同位置時(shí)膠板與底座的平行度是在不斷發(fā)生變化的。通過有限元分析軟件分析（如圖9所示），發(fā)現(xiàn)造成這種現(xiàn)象的原因是結(jié)構(gòu)剛性不足，當(dāng)膠盒壓緊在膠板上時(shí)，由于受到壓力的作用結(jié)構(gòu)發(fā)生了彈性變形，從而導(dǎo)致了膠板與底座間的平行度發(fā)生了變化，這就導(dǎo)致了膠板在做直線運(yùn)動(dòng)時(shí)其上表面與底座的平行度在不斷變化，造成了漏膠現(xiàn)象的發(fā)生。

表1 膠盒壓在膠板不同位置時(shí)膠板與底座的平行度（第一次測試） μm

表2 膠盒壓在膠板不同位置時(shí)膠板與底座的高度差（第二次測試） μm

表3 膠盒壓在膠板不同位置時(shí)膠板與底座的高度差（第三次測試） μm

圖9 機(jī)構(gòu)有限元分析結(jié)果

2.3 漏膠問題的解決

從上面的分析可以看出，導(dǎo)致漏膠現(xiàn)象發(fā)生的原因主要有兩個(gè)，一是膠盒壓桿沒有柔性機(jī)構(gòu)，從而導(dǎo)致膠板與底座平行度稍微發(fā)生變化就會(huì)引起膠盒和膠板之間出現(xiàn)縫隙，從而導(dǎo)致漏膠的現(xiàn)象；另外一個(gè)原因是整個(gè)機(jī)構(gòu)剛性太差，導(dǎo)致膠板在作直線運(yùn)動(dòng)時(shí)膠板上表面與底座的平行度在不斷發(fā)生變化，這也會(huì)導(dǎo)致膠盒和膠板之間出現(xiàn)縫隙，從而導(dǎo)致漏膠的現(xiàn)象。因此，要解決漏膠問題必須從這兩個(gè)方面進(jìn)行解決。

2.3.1 壓桿增加柔性支撐結(jié)構(gòu)

如圖10所示，我們在壓桿和壓緊座之間增加了彈簧，使得膠板上表面與底座平行度即使發(fā)生變化時(shí)，膠盒也能一直與膠板緊密貼合，避免漏膠現(xiàn)象的發(fā)生（如圖11所示）。

圖10 壓桿增加柔性支撐結(jié)構(gòu)

圖11 改進(jìn)壓桿支撐結(jié)構(gòu)避免漏膠發(fā)生

2.3.2 增加整個(gè)機(jī)構(gòu)的剛性

為了提高整個(gè)機(jī)構(gòu)的剛性，重新設(shè)計(jì)了該機(jī)構(gòu)的下層支撐部分，對(duì)底板和膠板固定座這兩個(gè)零件進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，去除了原結(jié)構(gòu)中的U形槽結(jié)構(gòu)，以提高剛性，如圖12所示。

在新設(shè)計(jì)的該機(jī)構(gòu)中，影響整體剛性的因素主要是底板和膠板固定座這兩個(gè)零件的厚度，它們的厚度越大剛性越好，但整個(gè)機(jī)構(gòu)尺寸決定了這兩個(gè)零件的厚度之和不能超過20 mm，為了得到最合理的尺寸組合，本文采用了有限元分析的方法來進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)參數(shù)和結(jié)果如表4、圖13所示。從分析的結(jié)果可以看出，底板的厚度對(duì)整個(gè)機(jī)構(gòu)的變形影響比較大，底板越厚剛性越好，所以確定采用底板厚度12 mm、膠板固定座厚度8 mm。

圖12 下層支撐部分改進(jìn)

表4 不同板厚下的變形量

圖13 底板厚度變形量

2.3.3 實(shí)際結(jié)果驗(yàn)證

通過上面的分析結(jié)果，我們對(duì)目前結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，重新進(jìn)行了部分零件的加工和裝配，目前結(jié)構(gòu)如圖14所示。重新檢測了膠板上表面與底座之間的平行度，發(fā)現(xiàn)無論膠盒處于何位置，膠板上表面與底座的平行度都在5 μm以內(nèi)。另外，還進(jìn)行了長時(shí)間的刮膠實(shí)驗(yàn)、反復(fù)拆裝刮膠板和膠盒實(shí)驗(yàn)均未發(fā)生漏膠現(xiàn)象，漏膠問題得到了徹底解決。

圖14 改進(jìn)后的新機(jī)構(gòu)

3 結(jié) 論

通過一系列實(shí)驗(yàn)，我們找到了助焊劑蘸取機(jī)構(gòu)漏膠的原因主要是由于壓桿沒有柔性機(jī)構(gòu)、支撐機(jī)構(gòu)剛性太差受力發(fā)生彈性變形所引起。根據(jù)分析結(jié)果對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，壓桿增加了柔性機(jī)構(gòu)，提升支持結(jié)構(gòu)剛性，從而徹底解決了漏膠問題，提升了設(shè)備的可靠性。

[1] Reza A.Semiconductor backend flip chip processing，inspection requirements and challenges[J].SEMI IEEE：IEMT，2002，(4):18-22.

[2] Vivek Chidam baram，John Hald，JesperHattel.Development of gold based solder candidates forflip chip assembly[J].Microelectronics Reliability，2009，（49）：323-330.

[3] 宮文峰.倒裝芯片鍵合頭力學(xué)特性研究與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D].桂林：桂林電子科技大學(xué)，2014.

[4] 潘峰，莊文波，葉樂志，周啟舟.倒裝鍵合中助焊劑涂覆的工藝優(yōu)化[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2016，(4)：20-24.

An Analysis and Solution about the Leak of Flux on Flip Chip Bonder

LANG Ping1、2，SHUI Lihe1、2，SHEN Huiqiang1、2，GAO Ze1、2，PAN Feng2
(1.CETC Beijing Electronic Equipment Co.，Ltd，Beijing 100176，China;2.The 45thResearch Institute of CETC，Beijing 100176，China)

The flux module is an important module in a flip chip bonder，and the reliability of flux module will influence the quality of products.In this article we find the reason of leak of flux about the flux module by a series of experiments and optimize the flux moduleaccording to the results of experiment，at last we solve the problem and advance the reliability of the flip chip bonder.

Flip chip；Bonder equipment；Flux module

TN605

B

1004-4507(2017)05-0046-06

2017-07-10

郎平（1976-）男，山西人，高級(jí)工程師，主要從事半導(dǎo)體專用設(shè)備研發(fā)工作。