芯片尺寸級CSP封裝自動植球技術(shù)的研究

劉勁松，郭 儉，王 鶴

LIU Jin-song1 , GUO Jian2 , WANG He2

（1.上海理工大學(xué)，上海 200093；2.上海微松工業(yè)自動化有限公司，上海 201114）

0 引言

CSP是狹窄間距的BGA，日本富士通1992年提出，于2000年開始興起，是高端IC封裝技術(shù)的主流和發(fā)展方向[1]。

植球工藝制造芯片凸點(diǎn)以及實(shí)施植球工藝的植球技術(shù)是CSP芯片封裝過程中的關(guān)鍵技術(shù)，植球機(jī)是實(shí)施植球工藝制造凸點(diǎn)的設(shè)備，是CSP等先進(jìn)封裝技術(shù)最核心的半導(dǎo)體高端封裝設(shè)備之一。通常，引進(jìn)一套國外的全自動植球機(jī)設(shè)備需要大約60多萬美元，價(jià)格極其昂貴。因此，開展全自動植球技術(shù)的研究非常必要和迫切[2]。

國內(nèi)，夏鏈、郭建強(qiáng)等[3～5]研究了針對基板植球的BGA植球技術(shù)和視覺檢測技術(shù)，給出了設(shè)計(jì)方案和技術(shù)路線，但沒有進(jìn)一步探究植球技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用及其具體實(shí)現(xiàn)問題。本文則闡述了針對基板植球和針對晶圓植球的兩種CSP植球方法，并以真空吸引法基板植球?yàn)槔骄苛似渚唧w工業(yè)應(yīng)用。

1 CSP封裝流程

CSP封裝（Chip Size Package/Chip Scale Package）按日本電子機(jī)械工業(yè)會EIAJ的定義為：與晶片(Die)大小相同，或稍微大一些的封裝總稱；封裝形式為現(xiàn)有封裝形式（如BGA等）的衍生和升級[6]。

CSP的封裝流程大致分為三個(gè)階段：晶圓級工藝階段、晶片級工藝階段和塑封成型工藝階段[7]，其封裝流程如圖1所示。在塑封成型工藝階段，植球是把錫球植放到芯片PAD點(diǎn)上，錫球是芯片與外部電路相連接的紐帶，即I/O通道。植球質(zhì)量從某種意義上來說代表了芯片封裝質(zhì)量。由于植球設(shè)備對自動化程度和制造加工精度等要求較高，導(dǎo)致國內(nèi)依賴進(jìn)口設(shè)備和依靠人手動植球的現(xiàn)狀依舊普遍。

圖1 CSP封裝流程圖

2 CSP植球技術(shù)

植球使錫球與基板相連接，植球質(zhì)量將直接影響到器件性能與可靠性[8]，屬于半導(dǎo)體IC封裝后道工序，是芯片尺寸級CSP封裝塑封成型工藝中的關(guān)鍵步驟之一。錫球吸拾和植放是植球工藝中的核心步驟，主要植球方法有兩種：真空吸引法和絲網(wǎng)印刷法。下面介紹這兩種植球方法，并以真空吸引法為例，討論其在植球機(jī)設(shè)備上的具體應(yīng)用。

2.1 植球方法與植球原理

基板植球機(jī)大多采用真空吸引法，晶圓植球機(jī)大多采用絲網(wǎng)印刷法。由于晶圓的平整度較好，可以制作與晶圓圖案花形相一致的網(wǎng)板，掃球機(jī)構(gòu)的刮刀在網(wǎng)板上蛇形運(yùn)動，將錫球掃入網(wǎng)板篩孔中，植入到晶圓上，如圖2所示。絲網(wǎng)印刷法使用的是微米級的薄板，晶圓和刮刀與網(wǎng)板的接觸會造成網(wǎng)板的彈性變形，需要對這種變形加以控制以保證植球精度[9]。塑封好的基板可能翹曲，平整度不如晶圓，采用絲網(wǎng)印刷法植球效果不夠理想。

圖2 絲網(wǎng)印刷法植球原理示意圖

真空吸引法植球按供球方式不同，可以分為振盤式真空吸引法植球方式和預(yù)埋入式真空吸引法植球方式，如圖3、圖4所示。振盤式供球方法是在錫球料盒的底部安裝一振動盤或料盒與振動盤一體式，開啟振動源，調(diào)整至合適的電壓和頻率，可以把料盒底部的錫球振至群體跳躍狀，錫球與料盒底部騰空一段距離；關(guān)閉振動盤，錫球由于自身重力重新落回料盒底部。

圖3 振盤式真空吸引法植球原理示意圖

預(yù)埋入式則采用制作與基板圖案花形相一致的治具，治具上有若干整列小孔，孔的大小與所需植球的錫球球徑大小相對應(yīng)。一般，錫球球徑大于0.5mm，錫球料盒布置在治具上方，料盒按水平方向往復(fù)運(yùn)動，使錫球自動落入治具小孔或者治具接有真空設(shè)備，開啟真空，將小球吸入小孔內(nèi)。當(dāng)錫球球徑較小時(shí)，料盒采用水平方式往復(fù)運(yùn)動，卡球現(xiàn)象嚴(yán)重，錫球容易被刮入到料盒與治具的間隙中。此時(shí)，料盒采用翻轉(zhuǎn)方式往復(fù)運(yùn)動，借助慣性和一定傾斜角度使錫球不被刮入間隙中，卡球的現(xiàn)象得以消除。

圖4 預(yù)埋入式真空吸引法植球原理示意圖

無論是預(yù)埋入式還是振盤式真空吸引法植球，都采用真空方式來吸拾錫球，然后植放到基板上。圖3和圖4所示是真空吸引法植球的一般過程，從左往右，共三個(gè)步驟：錫球供給，錫球真空吸拾，錫球植放。

2.2 真空吸引法的實(shí)施與應(yīng)用

基板有多種尺寸規(guī)格[10]，植球后的每一塊基板可以切割成若干個(gè)芯片，每個(gè)芯片有若干個(gè)I/O引腳，如圖5所示。

圖5 一種240mm×74mm尺寸規(guī)格基板實(shí)物圖

設(shè)某種基板可以切割成m個(gè)芯片，每個(gè)芯片有n個(gè)I/O引腳，所需單次植球數(shù)為Qs，則：

所需植放的錫球球徑為d，錫球密度為ρ，錫球自身重力為Gb，所需植球區(qū)域長a寬b，所需真空發(fā)生器的真空度為Pv，安全系數(shù)取Sf，重力加速度為g，則：

安全系數(shù)與吸拾方式（水平或垂直）有關(guān)，對于水平吸拾方式的安全系數(shù)一般取4[11]。

根據(jù)吸拾供球治具上全部錫球所需的真空度Pv預(yù)選最大真空度比Pv略大的真空發(fā)生器，再對真空發(fā)生器的極限吸入流量進(jìn)行驗(yàn)算，便可確定所需使用的真空發(fā)生器類型，此步驟可參照各公司（如SMC等）真空產(chǎn)品的選型手冊，這里不再贅述。

真空吸拾錫球后，植放至已涂抹了助焊劑Flux的基板上。在植放時(shí)，由于基板有些許翹曲，需給基板一定的壓力，這由植球機(jī)構(gòu)來完成，如圖6所示。若基板翹曲嚴(yán)重，在植球之前還需專門的機(jī)構(gòu)壓平基板。

圖6 錫球植放示意圖

設(shè)氣缸缸徑為D，供給氣缸使用的壓縮空氣的壓強(qiáng)為P0，氣缸理論輸出力為Fc，則：

錫球未植放前，彈簧剛度為K，拉伸伸長量為Δ1x，單個(gè)彈簧拉力為Fsi，使用彈簧的個(gè)數(shù)為Q，植球治具和植球機(jī)構(gòu)自重為W，則：

錫球植放時(shí)，彈簧伸長量為Δx2，單個(gè)彈簧拉力為對基板的壓力為Fp，則：

調(diào)整氣缸壓強(qiáng)P0值，可以改變彈簧伸長量Δx1，進(jìn)而可以對錫球植放時(shí)實(shí)施于基板上的壓力Fp進(jìn)行控制和調(diào)整，以滿足不同球徑錫球與不同基板所需的壓力要求。

3 真空吸引法基板植球?qū)嶒?yàn)

本次植球?qū)嶒?yàn)，使用自主研制的植球機(jī)MBA-2000，如圖7所示。實(shí)驗(yàn)對象是PCB基板，主要材質(zhì)為BT樹脂。基板尺寸為270mm×80mm×0.8mm，所需植球區(qū)域長250mm寬67mm。使用國產(chǎn)錫球，主要材質(zhì)Sn63Pb37，球徑0.25mm。

圖7 MBA-2000基板植球機(jī)

3.1 植球過程

基板共80個(gè)芯片，5行16列布置，每行間距16mm，每列間距15mm。每個(gè)芯片78個(gè)I/O，單次植球數(shù)Qs為6240個(gè)。

使用SMC ZR120S2-K15MZ-EC大型真空發(fā)生器和CQSXB20-10D薄型氣缸，缸徑D為20mm，兩個(gè)MISUMI AUT12-45拉伸彈簧，彈簧剛度K為11.18N/mm。設(shè)定氣缸壓強(qiáng)P0為0.1MPa，植球壓力Fp為61.152N。

植球機(jī)構(gòu)在供球處開啟真空，吸拾錫球，于基板上方沿Z向下降，使治具上的錫球與基板接觸，微微翹曲的基板在壓力Fp的作用下變得平整，使錫球可以與基板上全部PAD點(diǎn)相接觸。破真空，植放錫球。植球機(jī)構(gòu)Z向升起，植球完成，如圖8所示。

圖8 真空吸引法植球?qū)嵨飯D

3.2 植球結(jié)果

植球完成后，可以借助三次元測量儀觀察植球效果，根據(jù)觀測結(jié)果，再對機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整或電氣PLC軟件上進(jìn)行位置補(bǔ)償，以獲得較理想的植球效果。圖10所示基板上方兩塊芯片沒有點(diǎn)上膠（矩形區(qū)域），錫球植放時(shí)由于氣流作用把錫球吹得散亂了。圖9是調(diào)整了印刷機(jī)構(gòu)，保證基板上每個(gè)芯片的PAD點(diǎn)都點(diǎn)上膠，最終的植球效果比較理想。

圖9 植球效果較好

圖10 植球有缺陷

圖11 三次元測量儀觀察植球效果

圖12 錫球偏移量測量

如圖11、圖12所示，使用三次元測量儀測出錫球最大偏移量為0.0946mm。由于焊點(diǎn)之間的張力產(chǎn)生良好的自對中效果，錫球偏移量在其球徑的50%以內(nèi)回流焊時(shí)可以拉正[12]。當(dāng)然，可以經(jīng)過反復(fù)多次植球?qū)嶒?yàn)，確定合適的植球工藝參數(shù)，MBA-2000植球效果還可以進(jìn)一步地提高。

4 結(jié)束語

植球技術(shù)是芯片尺寸級CSP封裝塑封成型工藝過程中的關(guān)鍵技術(shù)之一。絲網(wǎng)印刷法適用于晶圓植球，真空吸引法適用于基板植球。通過植球機(jī)MBA-2000植球?qū)嶒?yàn)，表明真空吸引法在基板上植球效果良好。從長遠(yuǎn)角度來看，植球技術(shù)的研究和植球機(jī)設(shè)備的研制，將提升我國在半導(dǎo)體封裝測試領(lǐng)域的競爭力，有助于鞏固和擴(kuò)大我國IC產(chǎn)品在國際半導(dǎo)體市場的占有率，使我國封裝測試產(chǎn)業(yè)能更好地發(fā)展下去。

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