据估计,1998年全球倒装芯片(flip chip)总产量是4至6亿只,其中绝大多数用于低成本的消费电子产品,如计算器和手表。近年来,计算机和通信市场也逐渐对电路板上倒装芯片(fcob)和倒装芯片封装（fcip）表现出兴趣,这类高端应用包括微处理器、专用集成电路和微控制器。

市场研究表明,倒装片已经被列入基础设施。随着技术障碍的克服和一些新材料的面世,未来两三年内,芯片制造将变得更加便宜,市场需求也将扩大。芯片制造行业应准备迎接新的需求热潮。

建立集成化倒装芯片的批量组装线,必须考虑芯片对高清洁度和高精确定位的要求,同时也要确保组装线适应未来的发展。

本文将介绍倒装芯片组装的三个主要流程——半导体元器件组装、底层填充和焊球焊接(只适用于fcip应用),它们各自需要什么样的设备以及工艺流程。

半导体元件组装设备的选择

半导体元器件组装任务包括：焊锡膏和焊剂的分配、特高精度的重复元件拾取和放置、固化和离线清洗。 有关设备应有能力处理和运送瓷质材料、柔性电路板和多层电路板。组装部分和传送带也应满足上述所有要求。

假设我们的组装带有电容器,那么不同电容器就有不同的组装方法,如：环氧树脂粘接(epoxy)、低熔点焊接(eutectic solder)、焊球阵列 (bumped array) 的高温焊接及低电感电容器焊接等。焊接材料可采用射流方式也可采用网印方式。如果不安装电容器,就不需要焊料分配,也可减少一台贴装机,从而简化配置。

由于无法预测将来是否需要装配电容器,因此设备配置应具有高度的灵活性,并能够满足最大生产需求。高精度的多功能组装设备,如既可组装电容器,也可组装倒装芯片的设备就比较理想。尽管这类设备比较贵,但从长远来说是合算的。

倒装芯片组装对视觉系统的要求非常严格。常用的标准照明系统无法区分金属片和它周围的浅色瓷基,聚酯亚胺柔性电路板也会由于柔性材料与金属层之间对比度差而无法成像。因此组装设备应配备特殊的照明系统。

组装设备还要求高精度定位。现在采用丝杠(lead screw)驱动的贴装机可以达到200微米精度,但产生的粉尘颗粒比较多,每立方米在15000-20000之间。只有采用线性马达驱动的才能同时满足倒装片组装对精度和清洁度要求,设备生成的粉尘颗粒仅为每立方米558颗粒。

倒装芯片的贴装速度主要取决于贴片机的主轴数、视觉系统以及送料方式等。半导体芯片的送料方式有窝伏尔组件式(waffle packs)、波浪带式(surf tape)、卷轴式(tape & reel)和大圆片送料器(wafer handler)等。某些情况下,为了速度（微处理器、sdram）或者组装高端记忆产品,需要多种芯片,这时应采用窝伏尔组件式传送,在大圆片完好率低于75%时,也应考虑用窝伏尔组件式。在大圆片完好率介于75%至85%之间时,采用大圆片送料器更合适。具体而言,如果组装是在同一工厂完成,75%的大圆片完好率,就可以采用大圆片送料器。如果组装是在另一场地完成,因此需要额外的运输费用时,采用大圆片送料器的大圆片完好率必须超过85%,才能获得理想的性价比。

回流焊过程中的热分配采用强制对流技术的烘炉。倒装芯片贴装过程中,不同的场地都要通过离心力来控制和保持良好的清洁状态。

工艺流程

采用低熔点焊接(eutectic)时,焊球中应置有非电镀镍-磷/金镀层,或电镀的铬/铜铬/铜/金、镍矾/铜或钛/铜/金,焊球应该被网印或电镀。在绝缘层上进行的典型低熔点焊接应使用低粘度或低硬度的焊剂,这样就不需要清理。

在瓷质材料上的倒装片回流焊要求较高的温度,尽管焊剂在高温下易于“焦化”,难以清洁（通常需要一个离线的批量离心清洁器）。基板材料可采用瓷、fr4/bt以及具有微导线的bum。

底层填充(underfill)设备和工艺

倒装片质量是否能够维持长期的稳定性,在很大程度上取决于介于芯片与基板之间填料的质量。底层填料(underfill encapsulant)可降低由热膨胀系数失配引起的焊点定位疲劳张力,从而极大地增强可靠性。分配和固化得当的底层填料能够均匀一致地将定位疲劳压力分散到整个密封部件,使焊点的连接寿命延长30至50倍。

对底层填料质量影响重大的三个因素是,填料分配量的精确性、芯片和填料液体的温度控制,以及芯片资料数据的管理。“反馈系统”可以有效管理这些变量,并确保底层填料分配适宜。同时应建立一个日志,记录芯片的使用和spc表。

控制底层填料流体的流量,关键在于使用准确的流量分配泵。线性排液泵(linear positive displacement pump)使用活塞,可以灵活调整精确的排液量,是比较合适的选择。这种泵在技术上已经有很大改进,非常适合用于分配焊锡膏或其它高粘度流体。低粘度和适用期短的填料则需要一只不受液体粘度影响的精密排液泵。

“反馈系统”的温度控制也很重要。温度耦合器通过比例积分微分(proportional integral differential)控制仪分析当前温度和以前温度变化率,并提供反馈。在“无照明”生产环境中,该系统必须能够在分配液体之前自动地检测温度,并将这一数据记入spc生产