上文我們討論了回流焊鍵合遇到的挑戰(zhàn)（點(diǎn)擊閱讀前文：先進(jìn)封裝芯片鍵合之熱壓鍵合介紹（1）），接下來我們來討論熱壓鍵合。熱壓鍵合之所以成為先進(jìn)封裝的主力技術(shù)之一，就是因?yàn)闊釅烘I合可以很好地彌補(bǔ)回流焊鍵合的很多不足。熱壓鍵合最早是為了銅銅直接鍵合而研發(fā)的。但是目前熱壓鍵合在基于焊球的覆晶鍵合封裝中得到更廣泛的應(yīng)用。
圖三給出了常見的熱壓鍵合bonder的結(jié)構(gòu)?；搴托酒加懈髯缘募訜嵫b置。取決于錫膏的種類，通?；鍟?huì)被加150oC到200oC之間。基板被真空束縛在非常平整的基座上，從而基板的曲翹得到了很好地控制。芯片同樣被真空束縛在非常平整的bond head上，相應(yīng)的芯片的曲翹也得到了很好地控制。芯片和基板之間的對(duì)準(zhǔn)需要非常精準(zhǔn)，其中包括XY平面內(nèi)的alignment，芯片和基板之間距離（Z方向上的控制）以及相對(duì)的傾斜（tip tilt)。通常alignment的精度要求要達(dá)到±3 μm 3 sigma的要求。鍵合區(qū)域的氧氣濃度過高會(huì)對(duì)鍵合產(chǎn)生不利影響，比如孔洞（voids）的形成從而影響鍵合強(qiáng)度。區(qū)別于回流焊的5到10分鐘的時(shí)長(zhǎng)，熱壓鍵合整個(gè)過程大概只需要在1秒到5秒之間。但是由于熱壓鍵合是一個(gè)芯片一個(gè)芯片的鍵合而不是像回流焊那樣批量進(jìn)行的，所以熱壓鍵合的吞吐量大約只有回流焊的1/5。加上熱壓鍵合的設(shè)備通常比回流焊的設(shè)備要貴不少，這兩個(gè)原因?qū)е聼釅烘I合的成本比回流焊鍵合要高。另外，因?yàn)殒I合所需的熱量主要由bonder head的加熱器所提供，C4的熱量會(huì)向基板邊緣擴(kuò)散。這導(dǎo)致在C4邊緣要比中心溫度低不少。這使得熱壓鍵合的峰值溫度要遠(yuǎn)超錫膏的融化溫度通常在300°C以上。跟回流焊峰值溫度相比，過高的熱壓鍵合溫度給鍵合材料的選取，鍵合工藝的穩(wěn)定性以及產(chǎn)品的可靠性帶來不小的挑戰(zhàn)。
前面提到回流焊鍵合，由于熔融的錫膏為了降低表面能從而有自校正的能力，這個(gè)能力能夠幫助芯片的bumps在回流焊后更準(zhǔn)確的跟基板的bumps對(duì)準(zhǔn)。然后在熱壓鍵合中，由于芯片和基板在錫膏熔融狀態(tài)下都被束縛著，因此失去這個(gè)優(yōu)勢(shì)。好在目前絕大多數(shù)的熱壓鍵合設(shè)備對(duì)芯片和基板相對(duì)的放置精度可以做得非常好，有些可以達(dá)到±2 μm 精度with 3σ。ASM Pacific，Kulicke&Soffa，Besi以及Toray等是目前最常見的熱壓鍵合設(shè)備供應(yīng)商。目前國(guó)產(chǎn)設(shè)備商也是積極布局該領(lǐng)域，例如華封，唐人制造等等。各個(gè)廠商的熱壓鍵合設(shè)備可以有各自的特色，但是他們的設(shè)備都在以下方面進(jìn)行各種優(yōu)化：位置控制精度，傾斜/并行度控制精度, 快速且精確的溫度控制，精準(zhǔn)的bonding force的測(cè)量和控制，芯片和基板的真空吸附控制，設(shè)備的穩(wěn)定性，同一型號(hào)設(shè)備差異性的減少，產(chǎn)能（throughput）的提高，設(shè)備成本的下降，設(shè)備占地面積的減少等等。
圖三：常見的熱壓鍵合bonder的結(jié)構(gòu)
基于回流焊和熱壓鍵合的chip gap height (CGH)差異性在圖四中給出。對(duì)這個(gè)特定的產(chǎn)品來說，基于回流焊鍵合的產(chǎn)品的CGH范圍從70 μm到100 μm ，如此大的CGH variation使得鍵合的加工窗口（process margin）非常低。只要來料的差異性稍大，就可能導(dǎo)致生產(chǎn)良品率的下降。相比之下，基于熱壓鍵合的產(chǎn)品的CGH變化范圍大約只有5μm。小的CGH variation不僅能幫助提高鍵合本身的process margin，而且能幫助減少下游封裝測(cè)試流程中的來料的差異性從而使得下游的封測(cè)步驟更穩(wěn)定。
圖四：基于回流焊和熱壓鍵合的Chip gap height
接下來，我們大概地講一下最常見的TCCUF (Thermo compression boding with Capillar UnderFill）熱壓鍵合步驟流程，整個(gè)過程通常在1-5秒
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將基板真空吸附到非常平整的pedestal上，并通常加熱到150oC到200oC。將基板的溫度設(shè)定盡可能的高來減少鍵合時(shí)間。
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在基板的C4區(qū)域噴涂上足量的助焊劑
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將bond head加熱到150oC到200oC之間，并用bond head去Pick up芯片
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用up-looking和down-looking相機(jī)來確定芯片和基板的相對(duì)位置，通過校準(zhǔn)過的算法算出芯片所需的空間位置調(diào)整來完全對(duì)照基板的bumps，通過設(shè)備上精密的機(jī)械控制來完成這個(gè)步驟。
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然后將bond head連帶吸附的芯片一起以sub um的精度靠近基板。此時(shí)芯片和基板都處在錫球融化溫度以下，所以錫球都是固體。錫球可以是在基板上也可以在芯片上或者兩者都有。
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在下降過程中bond head一直處在壓力敏感控制，既進(jìn)行著非常靈敏且實(shí)時(shí)的力測(cè)量
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當(dāng)芯片和基板接觸的那瞬間，系統(tǒng)探測(cè)到一個(gè)壓力上的變化，從而判斷接觸發(fā)生同時(shí)迅速將 bond head從壓力敏感控制轉(zhuǎn)為壓力和位置共同控制
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此時(shí)通過bond head上的加熱裝置迅速將芯片加熱至300oC以上。值得指出的是熱壓鍵合的溫度變化率一般都是在100 oC/s。相比之下，回流焊鍵合的溫度變化率要低很多，通常在2 oC/s。
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當(dāng)錫球處于熔融狀態(tài)時(shí)，通過bond head對(duì)芯片的精確位置控制來確保每對(duì)bumps都鍵合上，且將chip gap height控制在合理的范圍內(nèi)。值得指出的是，在加熱的過程中，真?zhèn)€系統(tǒng)都會(huì)熱膨脹，這部分的膨脹需要bond head位置的精確控制來抵消。
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將bond head的溫度迅速冷卻至錫球熔點(diǎn)以下，使得錫球變?yōu)楣滔?。通常冷卻溫度變化率要比加熱溫度變化率要低一些，通常在?50 °C/s
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關(guān)閉bond head對(duì)芯片的真空吸附，芯片跟bond head分離。芯片鍵合在基板上移出熱壓鍵合設(shè)備，鍵合完成。
為了更好地說明熱壓鍵合關(guān)鍵步驟，我們用下圖的一個(gè)bonding profile作為一個(gè)例子來進(jìn)一步解釋。事實(shí)上，基于不同的產(chǎn)品，bonding profiles可以非常不同。所有這些bonding profiles的實(shí)現(xiàn)都基于熱壓鍵合設(shè)備對(duì)溫度，壓力，位置等的精確控制。如圖五（a）所示，紅線，藍(lán)線和黑線分別代表bond head的溫度，壓力，位移隨時(shí)間的曲線。當(dāng)bond head探測(cè)到壓力變化就說明芯片和基板已經(jīng)觸碰，迅速將芯片和基板加熱到錫球熔點(diǎn)以上。對(duì)于通常的SAC305錫球(96.5% Sn, 3% Ag, and 0.5% Cu)，這個(gè)溫度大約要到300 °C以上。由于巨大的溫度梯度，即使C4中心的bumps可能已經(jīng)在300°C以上了，但是在C4邊緣的錫球可能勉強(qiáng)的錫球熔點(diǎn)以上。正是這個(gè)原因，通常bond head的峰值溫度要遠(yuǎn)高于錫球熔點(diǎn)。圖中藍(lán)線顯示在加熱過程中，bond head是處在恒定壓力控制模式直到錫球融化。由于錫球融化壓力瞬間下降，取決于所選擇的chip gap height，此時(shí)bond head由原來的壓力可能變成拉伸力。此時(shí)我們調(diào)整bond head的高低位置來保持恒定壓力控制，這個(gè)位置的調(diào)整也可以用來彌補(bǔ)整個(gè)設(shè)備的熱膨脹帶來的影響。通常我們會(huì)在探測(cè)到錫球融化后，繼續(xù)將芯片向下壓5到10μm。這么做的主要原因是solder bumps的高低并不一致，通常coplanarity可能就在5到10 μm這個(gè)范圍。Bond head可能會(huì)繼續(xù)下壓更多來確保沒有NCO(on-contact open). 隨后Bond head也可能上升來將chip gap height控制在一個(gè)合理的范圍內(nèi)。然后bond head迅速降溫至錫球熔點(diǎn)以下來完成鍵合。
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圖五：熱壓鍵合的bonding profile, 已經(jīng)鍵合過程
根據(jù)填充材料的不同，熱壓鍵合又可以分為TCNCF（Thermo compression boding with Non Conductive Film）, TCNCP(Thermo compression boding with Non Conductive Paste）, TCCUF(Thermo compression boding with Capillar UnderFill）, TCMUF(Thermo compression boding with Molded UnderFill）等等。取決于基板材料的不同，熱壓鍵合又可以分為Chip-to-Substrate (C2S) and Chip-to-Wafer (C2W) ，Chip-to-Chip (C2C) 和Chip-to-Panel. 我們將在今后的文章中進(jìn)一步討論這些。
[1]3D Microelectronic Packaging,? From Architectures to Applications, Springer
[2]A. Eitan, K.Hung, in Conference Proceedings from the 65th Electronic Components and
Technology Conference (ECTC) (2015)
[3] Die Attach Equipment Market Report 2019 Market and Technology Yole Report
[4]S. Lau, Thermo-compression bonding for fine-pitch copper pillar flip chip interconnect, in SEMICON Advanced Packaging Symposium
[5]J.L. Aw, et al. Thermal compression bonding with non-conductive adhesive of 30 um pitch Cu pillar micro bumps on organic substrate with bare Cu bondpads, in 2014 IEEE 16th Electronics Packaging Technology Conference (EPTC) (2014)
[6]S. Lee, Fundamentals of thermal compression bonding technology and process materials for 2.5/3D packages. 57, 157–203 (2017)
原文始發(fā)于微信公眾號(hào)（艾邦半導(dǎo)體網(wǎng)）：先進(jìn)封裝芯片鍵合工藝之熱壓鍵合（2）
