IC芯片顶拾工艺影响因素分析

刘子阳，叶乐志，王 磊，庄文波

(北京中电科电子装备有限公司，北京100176)

IC芯片顶拾工艺影响因素分析

刘子阳，叶乐志，王 磊，庄文波

(北京中电科电子装备有限公司，北京100176)

通过对半导体封装工艺中芯片拾取过程及影响芯片拾取的关键参数研究，用正交试验法设计并试验，得出了对于特定试验对象最优的参数值组合，找出了对芯片拾取有较大影响的3个参数，可用于今后芯片拾取研究的参考。

IC芯片；正交试验设计；芯片顶起；拾取

20世纪80年代末，倒装芯片得以组装到硅或陶瓷基板上。由于半导体与基板的热膨胀系数不匹配，导致可控硅芯片连接的焊点热疲劳寿命低，这对芯片与底部基板的键合产生很大的冲击。如何减小有机基板与硅芯片之间的热膨胀系数差成为急需攻克的难题。1987年，日本日立公司通过填充树脂(即底部填充胶)来匹配焊点的热膨胀系数，提高了焊点的热疲劳寿命[1]。随着芯片倒装技术的不断发展，近几年倒装芯片已经成为高性能封装事实上的互连方法，它的应用得到广泛快速的发展，如图1所示。主要应用在无线局域网络天线（Wi-Fi）、系统封装（SiP）、多芯片模块（MCM）、图像传感器、微处理器、硬盘驱动器、医用传感器以及无线射频识别（RFID）等方面，如图2所示。与此同时，它已经成为小型I/O应用有效的互连解决方案。随着微型化及SiP的普遍认同，倒装晶片被视为各种针脚数量低的应用首选方法。从整体上看，倒装已在低端应用和高端应用中被采用[2]。

图1 倒装晶片发展历史

图2 倒装晶片应用图例

1 试验设计简介

试验设计是数理统计学的一个重要分支。其基本思想是英国统计学家费歇尔（R.A.Fisher）在进行农业田间试验时提出的。他发现在田间试验中，环境条件难于严格控制，随机误差不可忽略，故提出对试验方案必须作合理的安排，使试验数据有合适的数学模型，以减轻随机误差的影响，从而提高试验结论的精度和可靠度，这就是试验设计的基本思想。20世纪三四十年代，英国、美国、苏联等国继续对试验设计法进行了研究，并将试验实际法逐步推广到工业生产领域中，在采矿、冶金、建筑、纺织、机械、医药等行业都有所应用。1949年，以田口玄一博士为首的一批研究人员，研究和改进了英国人的试验设计技术，创造了用正交表安排分析试验的正交试验设计法。我国从20世纪50年代后期，在注明统计学家许宝禄教授引导下，数学工作者才深入试验设计这个领域。20世纪60年代初，他领导了一个试验设计讨论班，为国家培养了一批试验设计工作者。60年代末，中国科学院数学研究所统计组、北京大学数学系等单位的研究人员在正交设计的观点、理论和方法上都有新的见解，编制了一套较为适用的正交表，简化了试验程序和试验结果分析方法，创立了简单易懂的正交试验方法[3]。

2 芯片拾取试验

本试验是以北京中电科电子装备有限公司研发的OCTOPUS-1000倒装贴片设备为试验平台，以大小为1 mm×1 mm，厚度为0.2 mm的芯片为试验对象，采用应用最为广泛的正交试验设计法，对芯片拾取的几个关键参数进行分析和研究。

2.1 芯片拾取过程的分析

芯片的拾取方式分为接触式与非接触式两种，其区别在于拾取头在下行时是否接触芯片。接触式拾取方式要求拾取头在拾取芯片过程中不对芯片有过高的挤压力；而非接触式拾取方式要求拾取头实行机构具备高速高精度的点对点运动。

倒装芯片一般在与拾取头接触的表面都会有密度较高的凸点（Bump），在拾取过程中不能损伤凸点，因此拾取头吸嘴需要专门设计以避开与凸点直接接触，同时对拾取头与芯片的接触位置有了较高要求（保证吸嘴不与凸点接触），显然接触式拾取方式更能满足这个要求。而 OCTOPUS-1000倒装贴片设备的芯片拾取系统有精准的压力控制模块，能够保证芯片在拾取过程中受力恒定（如图3所示）。因此，本试验采用的是接触式的芯片拾取方式。

图3 拾取头

芯片拾取过程如图4所示，可大致分为三个阶段[4]：首先顶针升起，短时间接触与冲击芯片；然后，顶针和芯片以相同的速度上升，使得界面剥离开启并扩展；最后，拾取头拾起芯片，顶针缩回到原始位置。其中，在顶针上升到设定高度后，需要等待一段时间，使得界面充分剥离，这段时间我们定义为拾取时间（Pick Time）。

图4 芯片拾取过程

芯片拾取是否成功，不单单是看芯片是否能够顺利从膜上剥离，还要保证芯片不被损伤，这里主要是指芯片被顶针顶起的一面不能有损伤。另外，在封装生产线上，为了保证质量，有时还要求芯片拾取后膜不能有破损，这样就能保证芯片不与顶针直接接触，大大减小了芯片拾取阶段引起芯片隐裂的可能性。图5是顶针引起的芯片损伤，图6为蓝膜破损。

图5 顶针引起的芯片损伤

图6 蓝膜破损

根据以上分析，本试验所研究的关键参数为顶针锥度、顶针尖部半径、顶针顶起高度、顶针速度、拾取时间、拾取力。

2.2 芯片拾取试验设计

由上一小结可知，影响芯片拾取的关键因素有6个，在这里根据经验每个因素取2个水平（即每个参数取两个值）进行试验，如表1所示。由于本试验为六因素二水平试验，故可选用L8（27）正交表，试验设计如表2所示。其中试验结果有三个标准：一是芯片能够成功拾取；二是芯片背面不能有损伤；三是芯片拾取后，膜不能有破损。

2.3 试验结果及分析

本次实验结果如表3所示。

表1 因素-水平表

表2 试验安排表

表3 验结果计算表

根据表3中试验结果可知，第二组参数组合为最优组合，且从R值（极差，反应某个因素取不同的值对试验结果的影响大小）可以看出，顶针尖端半径、顶针顶起高度和拾取时间3个参数对实验结果影响较大。

本次试验主要以芯片剥离成功与否作为试验指标，芯片与膜的损坏与否作为辅助指标，因此顶针尖端半径、顶针顶起高度和拾取时间3个参数对芯片剥离效果影响较大。如果要进一步研究与对芯片和膜的损坏影响较大的参数，则需要根据经验调整各因素的水平，重新进行试验。

3 结 论

本文对芯片拾取过程进行了分析，提出了影响芯片拾取的几个关键参数。并采用正交试验方法进行了试验，找到了拾取芯片的最佳参数组合。而后经过对试验结果进行了分析，确定了对芯片剥离影响较大的3个参数。

[1] 吴东平，黄宜平，竺士炀.晶片键合技术及其在微电子学中的应用[J].微电子学，1999，29(1)：44-49.

[2] 李忆.倒装晶片装配工艺及其对表面贴装设备的要求[J].电子与封装.2008，8(6)：6-11.

[3] 赵选民.试验设计方法[M].北京：科学出版社，2006：4-5.

[4] 彭波.IC薄芯片拾取建模与控制研究[D].武汉：华中科技大学，2012.

Analysis of Influencing Factors On the jack-up and Pick-up Process of IC chips

LIU Ziyang，Ye Lezhi，Wang Lei，Zhuang Wenbo

(CETC Beijing Electronic Equipment Co.，Ltd，Beijing 100176，China)

This paper analyzed the Pick-up Process of Flip-chip.Several experimental parameters were researched.The optimal combination of parameters for the test chips is obtained By the orthogonal experiment design.Three parameters which have a greater impact on the Pick-up Process were found. The results of this paper have value for further research of pick-up process.

IC chip；Orthogonal experimental design；Jack-up process of chips；Pick-up process

TN405.97

A

1004-4507(2015)01-0021-05

刘子阳（1987-）男，河北衡水人，研究生学历，助理工程师，主要从事半导体封装设备的软件设计与工艺研究工作。

2014-12-28