英特爾公司的先進封裝之TCB工藝及設備詳述
查理
本文主要參考文獻為:Thermo-compression Bonding for Fine-pitch Copper-pillar Flip-chip Interconnect – Tool Features as Enablers of Unique Technology
- 前言
如前文所述,封裝路線的方向一直在向高性能輕薄化演進,為封裝行業帶來了全新的挑戰和機遇。英特爾公司選擇了基于基板(Substrate)的TCB(Thermal Compression Bonding 熱壓鍵合)工藝以替代傳統的回流焊(Reflow)。該設備為英特爾和ASMPT公司聯合開發,并于2014年導入量產,該設備有著極高的加工精度及豐富的可擴展性,不但可用于基板級封裝,還可用于晶圓級封裝,這就為英特爾在之后數年推出EMIB,Foveros等先進封裝方式打下了扎實基礎。
圖1. 英特爾的Co-EMIB MCP (Multi-Chip-Package)封裝產品
圖2 英特爾的Foveros封裝(芯片堆疊工藝)
我們將會先從英特爾為什么要引入TCB,從它前一代的技術回流焊遇到了什么樣的挑戰開始,然后介紹TCB的工藝細節,設備細節以及量產應用中的優化。最后再談談筆者自己的看法。
- 回流焊工藝及其挑戰回顧
典型的倒裝回流焊如圖3所示:將芯片上的BUMP先浸蘸助焊劑,并貼在基板上。在進入回流爐前,助焊劑的粘性可將芯片軟性固定,以防止其位置偏移,之后進入回流爐。在特定的升溫降溫(溫度曲線如圖4)下,凸點焊球會熔化為液態,在潤濕銅微柱的過程中基于表面張力使得芯片回流對位,最后在降溫作用下變成固相連接。
圖3 芯片貼裝流程 Flux Film: 助焊劑層,Flux Pot: 助焊劑容器,Flux Dipping: 助焊劑浸蘸, Position Flip chip on the substrate: 將芯片倒置對準基板上, Place Flip chip onto substrate: 將芯片放置于基板上,Reflow:回流焊,Flip chip soldering completed: 完成芯片倒裝焊
圖4 標準的回流焊曲線
- TCB 工藝介紹
但是由于超薄產品的引入,回流焊的缺陷率就開始增加如圖5所示:翹起,非接觸性斷開,局部橋接等。回流焊的另外一個不足在于,芯片的位置容易發生偏移,一是料盤/載具在傳輸過程中受震動影響,二是回流過程中芯片的自由偏移。焊接凸點間距(Pitch)越小,芯片尺寸越大,則偏移失效越嚴重。
圖5 回流焊流程中的各種缺陷
正是由于以上回流焊中的缺陷率越來越高,英特爾引入了TCB工藝。具體流程為:1, 基板(Substrate)在涂覆Flux后,被真空吸附固定在定制的加熱板上。2,貼片頭(BondHead)吸起芯片(Die),芯片在真空吸附下平整的貼合吸頭(Nozzle)之下。3,光學相機輔助定位,基板所在的解熱板位置微移,與芯片完成對位。4,BondHead向下運動,直到接觸到基板的時候停止。5,Bondhead加載一個壓應力,同時芯片會被快速加熱直至錫球熔化溫度。6,在錫球熔化的一刻,BondHead會將芯片繼續向下走微小的距離,以確保所有的凸點能夠連接。7,芯片在該高度保持數秒,確保錫球完全熔化浸潤芯片和基板上的連接點。8,之后在熔融狀態下,BondHead向上提升一定的高度,以得到預期的焊接高度。9,最后,BondHead快速降溫,錫焊變為固相。Bondhead釋放真空,回到待機位置。
在整個過程中,TCB會實時監測BondHead的溫度(Temperature),吸頭的應力( Bond Force)和Z方向的位移 (Bond Head Z Postion),其曲線如圖6所示。整個焊接過程不超過4秒。
圖6 TCB 焊接過程中曲線圖
在TCB焊接過程中,錫球(Solder Ball)由固態轉變為液態的一步非常關鍵,會相應觸發BondHead由應力控制轉為位置控制。另外一個有趣的現象就是錫球液化后的表面張力的影響,在壓力曲線上會產生負值。由于該效應比較微弱,很容易與其他失效混淆,增加了信號識別難度。
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TCB設備細節詳述
TCB 設備外觀
TCB設備的心臟是貼片頭(Bond Head),由線性伺服馬達(Linear Servo Motor)驅動空氣軸承(Air Bearing)運動,如圖7所示。有賴于高精度的伺服系統以及無摩擦的空氣軸承導軌,垂直方向的運動精度可以控制在1um以內,從而實現錫球熔化過程下的微移動的精準控制。
貼片頭配備了應力控制單元(Force Sensor),快速升降溫脈沖加熱器(Pulse Heater),還配備了一套主動傾斜控制系統(Active Tip Tilt,專利號US8387851B1)。
主動傾斜控制系統(Active Tip Tilt)可以精確調節脈沖加熱器的共面度,使其與基板(Substrate)所在的加熱板(Hot Pedestal)的表面完美貼合,在22mm x 33mm的區域內,可使上下兩個平面共面間距不超過3um,幾乎可以消除芯片翹起相關的失效。
壓力傳感器(Force Sensor)與壓力傳動方向同步,可實時監測貼片頭在垂直方向運動中的應力反饋,從而得知芯片在貼片過程中的受壓狀態。線性伺服馬達驅動可提供貼片頭超過10N的貼片壓力,壓力伺服控制反饋系統可提供0.05N壓力控制精度。
脈沖加熱器(Pulse Heater)可提供每秒超過100度的升溫速率,以及超過50度/秒的降溫速度,這樣從約400度(貼片過程中的最高溫度)降到待機150度只需5秒左右。快速升溫降溫能力可以避免過多的熱量持續加載給基板,并且顯著縮短貼片所需時間。
加熱單元中的組件得到充分工程優化,有良好的溫度均一性,以及100度/秒的升溫速率下,在22mm x 33mm區域內加熱塊表面的溫度差異不超過10度。由此保證了芯片和基板的接觸面錫球可以同步熔化。
貼片頭使用的芯片吸頭(Nozzle)為片狀,尺寸與芯片尺寸匹配,材質為單晶,有極佳的導熱性能,內有真空通道,可以將芯片牢牢吸附固定,且芯片吸頭可以自動更換,可實現同一個基板貼裝若干尺寸不同的芯片。
圖7,焊接裝置示意圖(顯示貼片頭到焊接平臺堆疊細節)
涂覆有液態助焊劑(Flux)的基板真空固定在加熱板(Pedestal)上,加熱板所在的平臺(Bond Stage)坐落在空氣軸承之上,在線性伺服馬達驅動下進行無摩擦的水平移動。加熱板最高可被加熱到200度,在基板的貼片過程中可以精準控制基板的溫度。芯片和基板通過上下同軸的高分辨率的相機系統對位(Up Looking and Down Looking Optics),該相機系統是熱控設計,可避免圖像因高溫畸變,如圖8所示。高精度的相機,以及無摩擦氣墊運動的基板平臺,保證了芯片和基板的極小的水平位置偏差,22mm x 33mm的芯片的偏移可小于2.5um且滿足Cpk 1.33。
圖8,焊接裝置示意圖(顯示平臺和設備內腔)
貼片頭,光學相機板以及真空加熱板都位于密閉的腔體內,如圖8所示。冷卻板(Cooling Plate)將整個腔體分為上方的大的惰性氣體腔(Macro Inter Chamber)和小的惰性氣體腔(Micro Inert Chamber),冷卻板的正中央有一個開孔,貼片頭的芯片通過此開孔與基板結合。冷卻板可以防止下方大尺寸的加熱板的熱量傳遞到上方腔體,以避免影響貼片頭和光學相機板的功能。芯片轉移臂把芯片轉運到冷卻板的中央開孔處,之后貼片頭向下運動將芯片吸起,芯片轉移臂復位后,貼片頭進一步向下運動,穿過中央開孔,將芯片貼置于基板上。上方密封腔充滿了氮氣(N2),將氧氣的濃度控制在100ppm以下,以防止芯片在加熱過程中的氧化。同時下方密封腔也有氮氣氣流,氧氣的濃度同樣控制在100ppm以下,以保護基板在加熱過程中不被氧化。
圖9,共面性測量
基板加熱板(Pedestal)和貼片頭的加熱體(heater)的下表面之間的共面性是通過一對高精度的電容型傳感器(Capacitive Sensors)測量的,該測量系統申請了專利(專利號:US8875979B2),如圖9所示。電容傳感器內置于光學相機板之上,可隨著相機板以在貼片頭和加熱板之間水平移動。上下傳感器成對同步工作,分別測量上方到貼片頭的距離和下方到加熱板的距離,兩個距離之和為貼片頭和加熱板點對點的距離。隨著水平方向的移動,可測量整個共面性。實際應用中,取芯片所在區域的4個角落(A,B,C,D)進行測量,用4個間距的最大差值來衡量共面度。貼片頭的主動傾斜系統可將貼片頭適度傾斜,使貼片頭與下方加熱板平行,滿足微米級的共面度,這樣芯片和基板之間的整體距離可以達到一致。
- 量產(HVM)過程中控制貼片質量的要素及優化
如圖10為TCB封裝的產品凸點錫焊鍵合的剖面圖,芯片-基板間距控制良好,焊接過程不超過4秒。
圖10,TCB焊接剖面圖
基板和芯片將賦予不同的加熱溫度,以減少兩者的膨脹效應差距。基板主要由數層有機材料構成,其翹曲效應受溫度的變化影響較大,而芯片的形變則顯著低于基板。基板的加熱溫度保持在較低的程度(如140度左右),而芯片則在脈沖加熱器的作用下快速加熱(超過100度/秒)和快速降溫(超過50度/秒),這樣可以顯著減少熱量傳導給基板,貼片過程中基板可持續保持在較低的溫度而不會過度膨脹。
其他一些有助于貼片質量的工藝優化:1. 在芯片與基板對位之前,芯片已經被加熱到待機溫度(約220度);2. 對位光學相機是熱控設計的,可以保證高溫測量的精度;3. 基板加熱板的真空通路系統與基板有著良好的圖案匹配度,基板在加熱狀態下可適度軟化,在強力真空作用下貼合更平整,共面度更高。
TCB貼片頭垂直方向選用了ZERODUR光柵尺,以提供高精度的垂直位置控制,從而能夠精準的識別到錫球固液相變以及隨后的精細位移控制。貼片頭與基板加熱板的熱膨脹校準,用以補償貼片頭的垂直移動距離,從而更進一步提高精度,尤其是在固液相變以及錫液界面收縮過程中。每顆芯片在貼裝過程中都會檢測共面度,并反饋給貼片頭主動傾斜補償,以滿足3um的共面度。在芯片和基板之間的錫焊完全固化前,提前釋放真空吸附的芯片也可導致芯片翹起失效。適當增加貼片頭的等待時間可以有效避免該失效。另外一種替代方法,即通過壓力傳感器的信號監測錫焊固化。冷卻過程中,錫焊固化會將貼片頭向下牽扯,表現為張力信號的增加。
- 量產中的工藝過程控制
為了滿足可靠量產的需要,不同的TCB之間的輸入輸出經過校準后,其性能可都到一致性匹配。這樣生產同一個產品時,所有的TCB設備會下載相同的工藝參數,不需要針對某一臺TCB設備再單獨設置。應用PCS(過程控制系統)監測重要的工藝指標參數。如果指標參數與目標值嚴重背離(如貼片頭的壓力,高度和溫度等),PCS系統會將設備自動停止,并指導操作員做出相應的響應。PCS系統之外還集成了統計分析能力,可以反映每臺設備的性能趨向,用于決定是否觸發設備維護。充分利用強大的日志文件。貼片過程中的日志文件可以有效反映生產過程中的各種缺陷,如外來異物,助焊劑不足等等(如圖11,圖12所示),方便操作人員及時定位失效原因并給予修復。
圖11異常焊接記錄顯示當出現其它物質時的曲線圖
圖12異常焊接記錄顯示當出現助焊劑不足時的曲線圖
寫在最后,英特爾公司采用的全新的TCB技術讓人眼前一亮,在封裝領域匹配了晶圓設備的性能。然而該工藝的特點以及精密的部件注定其成本不會低廉,維護諸多不易,應用場景較為苛刻。相信隨著ASMPT公司對該設備的進一步優化且簡化,并深度客戶定制,業界采用該技術用于量產的公司會越來越多。