英特尔先进封装之热压键合(TCB)工艺介绍

1.前言

如前文所述，封装路线的方向一直在向高性能轻薄化演进，为封装行业带来了全新的挑战和机遇。英特尔公司选择了基于基板(Substrate)的TCB(Thermal Compression Bonding 热压键合)工艺以替代传统的回流焊(Reflow)。该设备为英特尔和ASMPT公司联合开发，并于2014年导入量产，该设备有着极高的加工精度及丰富的可扩展性，不但可用于基板级封装，还可用于晶圆级封装，这就为英特尔在之后数年推出EMIB，Foveros等先进封装方式打下了扎实基础。

图1. 英特尔的Co-EMIB MCP (Multi-Chip-Package)封装产品

图2 英特尔的Foveros封装(芯片堆叠工艺)

我们将会先从英特尔为什么要引入TCB，从它前一代的技术回流焊遇到了什么样的挑战开始，然后介绍TCB的工艺细节，设备细节以及量产应用中的优化。最后再谈谈笔者自己的看法。

2.回流焊工艺及其挑战回顾

典型的倒装回流焊如图3所示：将芯片上的BUMP先浸蘸助焊剂，并贴在基板上。在进入回流炉前，助焊剂的粘性可将芯片软性固定，以防止其位置偏移，之后进入回流炉。在特定的升温降温(温度曲线如图4)下，凸点焊球会熔化为液态，在润湿铜微柱的过程中基于表面张力使得芯片回流对位，最后在降温作用下变成固相连接。

图3 芯片贴装流程 Flux Film: 助焊剂层，Flux Pot: 助焊剂容器，Flux Dipping: 助焊剂浸蘸， Position Flip chip on the substrate: 将芯片倒置对准基板上， Place Flip chip onto substrate: 将芯片放置于基板上，Reflow:回流焊，Flip chip soldering completed: 完成芯片倒装焊

图4 标准的回流焊曲线

3.TCB 工艺介绍

但是由于超薄产品的引入，回流焊的缺陷率就开始增加如图5所示：翘起，非接触性断开，局部桥接等。回流焊的另外一个不足在于，芯片的位置容易发生偏移，一是料盘/载具在传输过程中受震动影响，二是回流过程中芯片的自由偏移。焊接凸点间距(Pitch)越小，芯片尺寸越大，则偏移失效越严重。

图5 回流焊流程中的各种缺陷

正是由于以上回流焊中的缺陷率越来越高，英特尔引入了TCB工艺。具体流程为：

1， 基板(Substrate)在涂覆Flux后，被真空吸附固定在定制的加热板上。

2，贴片头(BondHead)吸起芯片(Die)，芯片在真空吸附下平整的贴合吸头(Nozzle)之下。

3，光学相机辅助定位，基板所在的解热板位置微移，与芯片完成对位。

4，BondHead向下运动，直到接触到基板的时候停止。

5，Bondhead加载一个压应力，同时芯片会被快速加热直至锡球熔化温度。

6，在锡球熔化的一刻，BondHead会将芯片继续向下走微小的距离，以确保所有的凸点能够连接。

7，芯片在该高度保持数秒，确保锡球完全熔化浸润芯片和基板上的连接点。

8，之后在熔融状态下，BondHead向上提升一定的高度，以得到预期的焊接高度。

9，最后，BondHead快速降温，锡焊变为固相。Bondhead释放真空，回到待机位置。

在整个过程中，TCB会实时监测BondHead的温度(Temperature)，吸头的应力( Bond Force)和Z方向的位移 (Bond Head Z Postion)，其曲线如图6所示。整个焊接过程不超过4秒。

图6 TCB 焊接过程中曲线图

在TCB焊接过程中，锡球（Solder Ball）由固态转变为液态的一步非常关键，会相应触发BondHead由应力控制转为位置控制。另外一个有趣的现象就是锡球液化后的表面张力的影响，在压力曲线上会产生负值。由于该效应比较微弱，很容易与其他失效混淆，增加了信号识别难度。

下一篇我们将介绍：TCB热压键合设备详细介绍，敬请关注公众号。欢迎访问艾邦半导体网：www.ab-sm.com。

作者：查理

本文主要参考文献为：Thermo-compression Bonding for Fine-pitch Copper-pillar Flip-chip Interconnect – Tool Features as Enablers of Unique Technology

原文始发于微信公众号（艾邦半导体网）：英特尔先进封装之热压键合(TCB)工艺介绍