繼上篇文章我們對回流焊工藝的缺陷進行了分析并大致介紹了TCB工藝。（推薦閱讀：英特爾先進封裝之熱壓鍵合(TCB)工藝介紹）。接著我們講講TCB設(shè)備細節(jié)。
TCB設(shè)備的心臟是貼片頭(Bond Head)，由線性伺服馬達(Linear Servo Motor)驅(qū)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(tǒng)以及無摩擦的空氣軸承導(dǎo)軌，垂直方向的運動精度可以控制在1um以內(nèi)，從而實現(xiàn)錫球熔化過程下的微移動的精準控制。
貼片頭配備了應(yīng)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(tǒng)(Active Tip Tilt，專利號US8387851B1)。
主動傾斜控制系統(tǒng)(Active Tip Tilt)可以精確調(diào)節(jié)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(qū)域內(nèi)，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(guān)的失效。
壓力傳感器(Force Sensor)與壓力傳動方向同步，可實時監(jiān)測貼片頭在垂直方向運動中的應(yīng)力反饋，從而得知芯片在貼片過程中的受壓狀態(tài)。線性伺服馬達驅(qū)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(tǒng)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?？焖偕郎亟禍啬芰梢员苊膺^多的熱量持續(xù)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(yōu)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(qū)域內(nèi)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(zhì)為單晶，有極佳的導(dǎo)熱性能，內(nèi)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(xiàn)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(jié)）
涂覆有液態(tài)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(qū)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(tǒng)對位(Up Looking and Down Looking Optics)，該相機系統(tǒng)是熱控設(shè)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(shè)備內(nèi)腔）
貼片頭，光學(xué)相機板以及真空加熱板都位于密閉的腔體內(nèi)，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(jié)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(xué)相機板的功能。芯片轉(zhuǎn)移臂把芯片轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移臂復(fù)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。
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(tǒng)申請了專利（專利號：US8875979B2），如圖9所示。電容傳感器內(nèi)置于光學(xué)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(yīng)用中，取芯片所在區(qū)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(tǒng)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。
下一篇我們將介紹：TCB熱壓鍵合量產(chǎn)過程中如何控制貼片質(zhì)量及優(yōu)化手段，敬請關(guān)注公眾號。歡迎訪問艾邦半導(dǎo)體網(wǎng)：www.ab-sm.com。
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
原文始發(fā)于微信公眾號（艾邦半導(dǎo)體網(wǎng)）：先進封裝之熱壓鍵合（TCB）設(shè)備細節(jié)詳述
