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    转换成裸芯片
    转换成裸芯片

    倒装片转换

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    转换可以一次完成或是分阶段完成。部分芯片倒装,其余部分不倒装将导致互联电路的严重损坏.导致无法实现预期的节省电路板空间的设计思想。Z轴向胶剂粘着的金凸点倒装是 最好的方法,因为使用常规的表面贴装设备便可完成。这个方法的最大缺点是金凸点使用常规的引线键和区,因此电路的间距最少要100um。但在一些设计中,PCB板上的某些导线 宽度仅仅有30um。


    使用标准引线键合的板上芯片贴装(COB),需要先固定所有焊接元件,彻底清洗电路板,然后在引线键合之前用胶剂将裸芯片固定。这种方式需要在芯片固定和引线键合设备方面 进行额外投资。引脚数少于40个、导线间距为5mil的器件有足够的空间进行引线键合。尺寸大些的芯片可能还需要电源接地环和多层键合以保持所用的引线长度小于5 mm。


    如果可以直接从晶圆厂家获得裸芯片就可以应用倒装焊。否则的话,在晶圆和NRE上的早期花费非常昂贵(若系统出现故障是不可恢复的)。现在当凸点间距大于200μm,导线间距大于4 密耳时可以用焊接凸点实现器件连接。


    第一步是取得芯片尺寸和焊盘排列图,用PCB供应商的设计规则生产出试用的布线板。引线键合的NB区域需要最少电镀3.5μm镍层、0.35μm金层,在引线交叉的地方,导线需要用焊接?;ぜ粮哺?。然后到生产车间去校验装配是否符合规定。


    在大批量购买之前,建议先进行小批量生产并安排少量的样板装配和测试。


    购买没有凸点的裸芯片时,这些芯片在使用之前必须保存在真空或干燥的氮气中。


    少于100K个晶圆时,应用焊接凸点并不具有竞争力,因为NRE成本很高。金凸点的单价是0.05美元,当达到100K个晶圆,金凸点的单价可降至0.01美元以下。


    板上芯片贴装


    COB的方法比传统封装元件提供更高的密度。通过去除封装外壳使用裸芯片也有可能增加密度,增强可靠性和提高运行速度。


    COB技术的更大优势是产品更快速到达市场,低廉的模具成本和系统升级的灵活性。intech公司互联和测试部有多年应用COB技术的经验,是提供方案,推行这项技术的领先者。迄今为止生产的代表产品包括存储器??楹突旌霞际醴桨窰DP(高密度封装)。


    COB技术适用的基板类型包括:


    • FR4 / FR5
    • BT Resin
    • PTFE
    • Flex
    • HTCC & LTCC


    通常使用银基树脂来固定裸芯片,使用金线或铝线进行引线键合。芯片可用硬质或是半硬质水珠型覆层提供机械?;?。


    裸芯片的处理


    裸芯片很容易被损坏。封装芯片在不恰当处理之后还有可能修复,但是对裸芯片来说,即便是最轻微的机械损坏也会导致无法使用。裸芯片对化学腐蚀和表面污染也很敏感,使用

    之前必须保存在干净和干燥的环境中,最好是真空或是惰性气体中。


    裸芯片绝不允许与皮肤或是可能接触的物体接触到,汗液、油渍、润肤油和化妆品都具有腐蚀性和导电性,一旦受到污染,无论多少清洁工艺都无法恢复到原来的功能和可靠性。


    多数的裸芯片表面都有一层钝化层,为下方的脆弱结构提供?;?,使裸芯片可以运输,可以用软头真空吸取工具放置在适当的地方。


    很多分立元件(晶体管和二极管),MEMMs和微波器件没有表面?;げ?。一些可以用软头工具吸取,另一些只能用工具从边缘位置处理。即便对于已钝化过的芯片,实现电路连接的键合区也是没有掩蔽的,很容易受到化学侵蚀。


    无论是已封装还是未封装的半导体器件,都会无意间被静电放电损坏。任何绝缘体表面都会聚集电荷,包括操作人员的头发和衣服,这些电荷达到数以万伏,只要碰到接地元件的连接点就会导致内部介电层的击穿缺陷。预防的最佳方法是确保所有操作人员,工具和设备与芯片接触前正确接地。


    装配流程


    芯片直接安装有两种具竞争力的技术——倒装片和板上芯片贴装。


    倒装片的装配流程和使用表面贴装回流焊很相似,很多情况下可以使用现有的设备。COB需要额外设备以实现裸芯片和其它电路的连接,既通常所说的“引线键合机”。


    理论上电路板的设计应该是可以先固定所有的焊接元件。


    优先的装配顺序如下:


    1)回流焊所有的无源器件和封装器件

    2)彻底清洗掉所有焊剂残渣

    3)使用加热的挑取工具或是氮气中回流焊接固定倒装芯片和背面已金属化的芯片

    4)覆胶

    5)裸芯片贴装

    6)引线键合

    7)密封或是底料填充,安装热沉和盖板


    在没有元件焊接的地方,可以简化流程,用导电胶固定无源器件和背面已金属化的芯片。


    倒装片


    有多种方法可以生产倒装片。最常用的是焊料凸点(通常所说的C4)和钉头凸点。通??山噶贤沟愕钠骷弊餍〉那蜃锤裾ふ罅写?。这些球形凸点的间距比常规的BGA封装要小很多,通常是0.2到0.25mm之间。实际上很多芯片的焊盘间距小于0.2mm,为了应用焊球,必须在芯片顶部再增加一层以重新分布这些细间距的外围连接,形成可以覆盖整个表面的大间距阵列。焊球的加工必须在晶圆阶段进行,这种加工经证实比常规封装要贵很多。


    钉头凸点加工可以在单个芯片上进行也可以在晶圆上进行。在芯片上完成常规热声球形键合后,把压扁的球形上方的引线折断,引线另一端没有连接(见图1)。


    所有焊盘都带凸点以后,就可以用各种技术把裸芯片安装到电路板上。


    最通用的方法是使用导电胶。导电胶可以丝印或是象焊料一样用气压分配。使用导电胶的另外一个好处是芯片和电路板间结合温度比用焊料温度低,不会有潜在的腐蚀性焊剂并且完全无铅。


    其他安装带凸点芯片的方法还包括各向异性非导电胶、超声波、热声波和热压键合以及各种焊接方法。


      图示1:带钉头凸点的裸芯片


    Image:studbumpeddie.jpg


    裸芯片的贴装


    在很多COB的应用中,也用银胶贴装芯片。随着时间的推移,无法保证银胶和裸芯片间可靠的低电阻连接。所以选择用银胶贴装晶体管和二极管时须小心慎重。


    功率晶体管和其他热耗散大的芯片,或是裸芯片背面和电路板之间要求极低电阻时,通常在下方淀积金或银。如果焊接层质地相当的话,这类芯片可以使用多种焊接合金贴装。 如果焊料层太薄,芯片和电路板的热膨胀系数不匹配,会导致芯片或是结点部位破裂。反之,如果焊料层太厚,或是含有残留空气或残余焊剂,热阻会很高,芯片容易过热导致运行时失效。如果焊料接触到芯片的上表面,焊膏里的助焊剂、有机溶剂可能使芯片产生腐蚀或是导致漏电。鉴于上述原因,建议不要将芯片放置在湿的焊料里。


    建议不要使用普通热塑环氧树脂用于高功率器件。首先,环氧树脂是一种非常坚硬的材料,会增加芯片破裂的风险,其次即便用最好的银基环氧树脂,其电阻和热阻也比多数焊料 高20多倍。


    有些柔软的热塑导电薄膜适合很多器件使用。但也建议不要在功率超过10W时使用。


    垫片安装


    很多老式晶体管和二极管没有背面金属化,或者代之以一层很薄的金。如果不能找到合适的导电胶,一种选择是把芯片共晶焊接到镀金小薄片上(垫片),然后将垫片整个焊接或是用胶固定到电路板上,如果有必要的话,可以用跳线加强电路。(见图2)


    不可能直接将背面没有金属化的裸芯片与普通电路共晶连接,因为金/硅的熔点大约在370摄氏度左右。


    图示 2.


    Image:tabmounteddie.jpg


    热声金线键合


    迄今为止,用于芯片顶部和电路板之间电路连接的最通用技术是热声金线键合,这种键合和多数塑料封装所使用的工序相同。


    一根非常细的金线穿过陶瓷毛细管中间的孔,在裸露的尾端加高压,细线回卷成形球状。这个球压在芯片上的连接点(键合焊盘)上,应用超声波能量形成键合。然后把毛细管升高 ,移到电路板上另一个键合点上方。将引线压在第二个键合焊盘上,再次使用超声波能量,把引线键合到电路板上同时部分切割。当毛细管再次升高时,管外突出的引线会在第二个键合位置断开,在毛细管的下方顶端留下一段短引线,这条小引线又可以形成下一个键合焊球。


    为了进行这道工序,电路板上的焊盘需要覆盖镍隔离层,表面再覆盖铝或是金,金与金的键合可以在室温下进行,但是金和铝的键合需要将温度升至摄氏100度左右。也有可能是金 线与镀银的电路板键合,但是表面会很快氧化,如果没有妥善保存电路板的话,在使用前需要先做一些预处理(如等离子刻蚀),金-铝键合在温度不断升高时使用寿命有限。在摄氏75度以上时,铝键合区会不断溶入金,键合区开始出现电阻不断增加并最终失效。溶解速率随温度呈指数规律增加,到摄氏175度时,一个月内就会出现失效?!?


    锲形键合


    普通芯片(即带铝键合区的芯片),通??梢栽谏呓岬阄露仁笔褂寐烈卟僮?。也能将铝引线用于球形键合。但是,因为铝很容易氧化,所以焊球的形成过程中需要惰性环境, 可以在键合机上装备氩气罩实现惰性环境。更普遍的做法是省去球形而是用锲形键合.引线以小角度穿过锲形钨刀的后面和前边缘的下方,而不是将引线垂直穿过陶瓷细管的中央。


    在室温下应用压力和超声波能量把引线键合到芯片上。然后刀具再移动到下一个键合点重复操作。在第二个键合点的引线断裂之前,刀具后退在刀具下方保留焊线的余留部分。这 种工艺一定程度上来说要比球形键合慢。当使用球形键合时,第二个键合点可以在圆形细管的任何部分形成。因此,键合可以以任何角度进行。当使用锲形键合时,引线只能从一 个方向穿出来,加工面和键合机器两者之一需要旋转。很多旧式芯片都适用两种方法,但是较新式的芯片只为用金丝球键合法而设计,结果,焊接区铝层较薄,在焊接位置的正下 方也可能有易碎的构造,被铝线锲形键合时增加的负载和超声波振动损坏。对于砷化镓芯片来说更是如此。


    某些芯片非常易碎,即使使用热声金线键合也会导致失效,因此只能使用热压锲形金线键合。没有超声波能量的协助,在热压键合时,键合位置的温度要求高于摄氏300度??梢允?用扁平带对付强电流?!?


    下方填充料


    不管用何种方式贴装裸芯片,都需要防止芯片表面遭受机械损坏和外部侵蚀。在倒装芯片时,如果芯片下方没有足够空隙,由于CTE不匹配引起的应力会导致器件的早期失效。另外 ,如果芯片下方留有空气间隙,会最终导致外部湿气进入,以及温度升高时释放污染物,温度降低时冻结导致腐蚀。下方填充物的使用依芯片尺寸,芯片和基板间的距离以及连线 间距而不同。最常用的方法是在芯片的一边加填充料,通过毛细管作用使填料在芯片下面流向另一边。有时芯片边缘的连接点太紧密,形成一道障碍使得填料无法通过。这种情况 下可以用两种方法解决――-对外围连接的芯片,在定位以前可以在芯片贴装的正中央位置使用非导电胶,对表面全部布满连接点阵列的芯片,在晶圆阶段就要使用粘胶薄膜?!?


    密封


    使用引线键合芯片时,要防止幼细的焊线受到机械损坏。对低成本的室温系统只需简单封盖,盖子可以夹紧或是胶水粘牢到电路板上,液体密封胶(珠型顶)可以用于单个芯片或 是覆盖整块电路板,液体密封胶需要具有相当低的粘度,以保证良好覆盖芯片和引线,同时又要防止密封胶流失或是污染电路板的其它地方。为达到这个目的,可以先在芯片周围 使用另一种较高粘度的兼容粘胶形成一道隔离层,这样做同时也能形成较平整的外形,便于编码和外部热沉的安装。即便是倒装片也会受益于密封胶,可以防止芯片由于挠曲或是 机械作用而开裂。另外可以加装散热器优化热量管理。


    Image:flipchip_heat.gif


    设备和设施


    板上芯片贴装或是倒装片都不需要在超洁净室进行。焊接倒装片通常在普通的SMT生产线进行。板上芯片贴装的冒险不在于可靠性而在于产量。幼细的颗粒也能阻塞毛细管和丝网印 刷板,导致无法对准,形成短路和擦伤。对多数板上芯片贴装来说,10K级的净化间已经完全足够,对个别还有问题的区域,可以使用层流柜和排气罩进一步降低颗粒数量。


    在任何时候都要注意全面预防ESD。裸芯片非常易被损坏,即使是非常低的电压。例如场效应器件,几伏的电压都会导致它失效。丝印是快速易控的分配粘胶的方式,但是只能应用 于没有其它元件的平板上,反之只能用气压分配粘胶的。对板上芯片贴装来说定位精度并不是很重要,因为可以调整焊线的长度,多数器件可以用相应工具,在低倍率显微镜下手 动定位。对倒装片来说,最大位移量和焊料凸点的间距有关,有时间距会小于10微米,这种情形下,必须使用高精度的吸取和定位设备。


    所有用于焊接和固胶用途的烤炉都必须有风扇辅助排风,设置合适的通风口。传送带类型的设备会用于实现产量最大化。有关的健康和安全指引可以从相关的材料供应商处索取。 对只需几条焊线连接的裸芯片,手动焊线机是最佳选择,因为焊线邦定所用时间要少于用于输入基本座标参数的时间。如果单片板上的焊线多于10条,长远来看自动焊线机成本更 低。为有效控制产品质量,购买一台拉力/剪切力测试仪是很值得投资的,用于检查裸芯片和焊线的附着力。


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