芯片尺寸封装技术对在晶圆、条和衬底之上焊球放置能力的快速提升有很高的需求。认识到合适技术对应的成功因素,有利于建立一套最佳实践参数来保证产量、成品率,并最终实现放置焊球的单位成本目标。
在市场对手持终端、个人计算和网络设备的需求的驱动之下,处理器、存储器、数字信号处理以及一大堆面向具体应用的产品对应的性能和集成密度大幅度提高。先进封装技术,如圆片级芯片尺寸封装(WL-CSP)、叠层封装(Package-on-package, PoP)技术等,是实现这些性能和集成密度提升目标的关键。
将焊球与衬底或者晶圆直接粘附的面阵列互连技术是这些技术的基础。I/O密度的稳步提升推动着单个器件上焊球个数的增加,市场数据显示,在2010年之前,组装一个典型的移动处理器,将需要超过1000个的焊球连接。封装组装者需要成本更低、速度更快、准确度更高的技术进行焊球连接来满足这种大量放置焊球的需求。

高精度物像工艺可以放置的焊球尺寸,可以从传统球阵列封装(BGA)对应的750祄,到WL-CSP对应的250祄,节距可以小到0.4mm。物像技术可以用于在最大直径为300mm的晶圆之上,或者在微型
球栅阵列(micro-BGA)条及小块的衬底之上放置焊球,覆盖目前可获得的芯片尺寸封装(CSPs)的整个范围。
有源焊球连接工艺的全部基本部分实现了领先的焊球尺寸以及节距。从大批量组装的实践经验中,我们认识到了决定工艺性能的重要成功因素。这些因素被认为与放置平台、焊球转印头、晶圆或衬底支撑原理以及与首选的晶圆或衬底传输媒介的兼容性有关,对应的晶圆或衬底传输媒介包括载盒(FOUP)、卡盒或者Auer舟。举例来说,晶圆的载入和载出可能需要单独的优化,来保证其与所选品牌的FOUP或者卡盒类型的协作性。相关工具的恰当优化,包括光印丝网/漏版( emulsion-screen/stencil)配合
使用,以及在晶圆片上放置焊球的精密垫片等,这些都会对工艺的性能产生影响。
焊球放置
使用高精度物像技术的焊球粘附技术需要两级工艺。第一级工艺是助焊剂涂覆,其使用精密屏幕印刷平台,通过光印丝网涂覆助焊剂于连接区。根据现今最先进的印刷工艺所使用的丝网印刷经验,所需助焊剂可以以均匀的厚度涂覆在每一个互连区域。光印丝网保持与晶圆或者衬底表面的紧密封接,从而可以阻止助焊剂涂抹于不应涂覆的区域。在不清洗丝网版的情况下,可以完成好几百次的助焊剂涂覆工艺,使得在最大产出的情况下保持高搏率(Beat Rate)。
涂覆助焊剂之后,就要进行焊球的粘附。焊球放置平台在操作上与助焊剂涂覆设备类似,其使用双层工具(金属漏版)将每一个焊球放置在涂覆助焊剂的凸点下金属化(UBM)区域。之后,一个特定设计的焊球转印头通过内部的机械管道将焊球连续不断地指引到丝网的表面。转印头内部有一个储存焊球的腔,储存的焊球可以满足一小时连续工作的需要。转印头以一个恒定速度通过印刷机有效区,并与其表面紧密接触。正片放置使得每个小孔只放唯一的焊球。高量产的工艺已经表现出高成品率,没放置焊球或者焊球损坏的区域低于总区域的0.01%。

以上工艺完成之后,对应晶圆或衬底从丝网印刷机中被取出,取出过程可以手动实现,也可以通过定制的自动抓取方案来实现。随后进行检测,并对焊球进行回流,至此就完成了连接工艺。图1所示是一个自动进行涂覆助焊剂、放置焊球、检查并回流流程对应的配置例子。
焊球放置重要因素
首先必须正确安装机器以保证工艺的准确执行,从而获得最优的产出速度和成品率。这似乎是非常明显的,但要特别注意的是保证机器被全面和准确的校正,使其达到可以接受的工艺精度。在机器安装过程中,要检查每一个部件以保证运送轨道、丝网和焊球放置头在整个周期中的平行度。这些操作可以阻止焊球在丝网和焊球转印头的边缘处掉落。焊球掉落是目前焊球粘附工艺中最常见的故障。
安装和维护焊球转印头过程中所积累的最好的工作实践也证实了这种经验。通常在补充焊球和管理焊球放置设备所对应的确定程序之中,针对技术员的训练强调经常检查转印头边缘和内部定位分布式焊盘对应的重要性。图2示出了转印头的截面并表示出了这些部件。

对嵌在传输头内部的漏版接近传感器(图3)的正确校正也是非常关键的。这些感应式传感器监控与漏版的接近程度,从而保证传输头与丝网之间维持恒定且连续的接触。在设备和工艺一开始被授权时就要对其进行准确的校正,并在以后使用过程中经常验证其工作状态。在工艺的常规操作过程中,建议经常对转印头状态进行检查,这样可以尽早识别转印头边缘或者发送器件存在的损伤,而这些损伤可能会导致焊球的掉落。
优化的漏版装置
在焊球放置之前的助焊剂涂覆有两个功能,一是保证焊球在放置完毕之后可以立刻保持在应有位置上,二是确保在焊球放置之后的回流过程中