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(yè)帶來了全新的挑戰(zhàn)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(tǒng)的回流焊(Reflow)。該設備為英特爾和ASMPT公司聯合開發(fā)，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
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(zhàn)開始，然后介紹TCB的工藝細節(jié)，設備細節(jié)以及量產應用中的優(yōu)化。最后再談談筆者自己的看法。
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(tài)，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
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(fā)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。
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(xù)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(tài)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?yōu)楣滔唷ondhead釋放真空，回到待機位置。
在整個過程中，TCB會實時監(jiān)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。
在TCB焊接過程中，錫球（Solder Ball）由固態(tài)轉變?yōu)橐簯B(tài)的一步非常關鍵，會相應觸發(fā)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。
下一篇我們將介紹：TCB熱壓鍵合設備詳細介紹，敬請關注公眾號。歡迎訪問艾邦半導體網：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（艾邦半導體網）：英特爾先進封裝之熱壓鍵合(TCB)工藝介紹
