該文主要內(nèi)容引用英特爾一篇技術(shù)文章“Thermo-compression Bonding for Fine-pitch Copper-pillar Flip-chip Interconnect– Tool Features as Enablers of Unique Technology”
2010年Iphone 4橫空出世，輕薄又強(qiáng)大的性能深深震撼了消費(fèi)者。消費(fèi)電子產(chǎn)業(yè)注定要在輕薄的賽道上狂飆猛進(jìn)，而PC領(lǐng)域更不會獨(dú)善其身。
很快時間來到了2年后，全球半導(dǎo)體領(lǐng)導(dǎo)者英特爾的芯片封裝研發(fā)總部的會議室進(jìn)行著一場激烈的技術(shù)路線定型爭論，爭論的最終結(jié)果必將深刻的影響公司的下一世代的全球競爭力，數(shù)百億美元的投資以及龐大的供應(yīng)鏈的去存。當(dāng)前成熟的倒裝回流焊(Flip Chip Mass Reflow) 封裝工藝注定很快成為明日黃花，其已經(jīng)無法應(yīng)對新產(chǎn)品對輕薄的高要求，尤其是切入到14nm工藝后，基板(substrate)和晶片的厚度將成倍下降，熱應(yīng)力下的翹曲效應(yīng)使得凸點(diǎn)橋接(Solder Bump Bridge) 失效異常嚴(yán)重。
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行業(yè)巨頭們都在提出自己的方案，簡而言之兩個方向，要么將晶圓的刻蝕工藝拓展到封裝，要么在兼容當(dāng)前的基板封裝但研發(fā)全新的設(shè)備和工藝解決翹曲問題。每個方案都牽扯到巨額的成本問題。尤其是對于英特爾而言，PC行業(yè)的生態(tài)鏈龐大而復(fù)雜，放棄兼容性無異于傷筋動骨甚至自廢武功。
最終基板封裝方案獲得了勝利，下游廠商的兼容性得到照顧，所有的人都心潮澎湃，因?yàn)檫@必將是場豪賭，新一代的封裝設(shè)備將挑戰(zhàn)機(jī)械加工的極限。對新設(shè)備的要求無比苛刻: 能貼裝更薄的晶片，支持多晶片貼裝，更小的晶片間距離，更緊密的凸點(diǎn)陣列，以及3D晶片堆疊。事實(shí)上就連英特爾公司總部也為這個賭注深深捏了把汗。
工藝方向很明確：熱壓鍵合 (Thermo-compression Bonding, TCB)。這項(xiàng)工藝并不是新事物，早在上世紀(jì)八九十年代，摩托羅拉公司就有過應(yīng)用。然而新紀(jì)元對設(shè)備的精度要求卻不可同日而語。其工藝機(jī)理如下圖：
-> BondHead(貼片頭)自帶加熱源，可以將撿起的晶片(Die)迅速加熱到臨界錫球融化溫度；
-> 在基板于晶片的凸點(diǎn)物理位置接觸的一瞬間， BondHead從壓力敏感控制轉(zhuǎn)為位置敏感控制，并迅速加熱到錫球融化溫度以上保持?jǐn)?shù)秒，之后BondHead迅速冷卻，使得上下凸點(diǎn)之間的連接變?yōu)楣滔?。焊接過程完成。
該工藝的設(shè)備關(guān)鍵工藝指標(biāo)最主要有兩點(diǎn)：一是貼放的精度，在Z方向位置控制靈敏度要達(dá)到驚人的1微米，且與壓力控制轉(zhuǎn)換無縫銜接(因?yàn)橥裹c(diǎn)錫球融化后，變?yōu)橐簯B(tài)，此時壓應(yīng)力突然消失，貼片頭必須靠高精度的位置控制保持晶片和基板的距離)；二是極快的加熱降溫能力，這是為了提高生產(chǎn)效率，如果以1分鐘加工1顆芯片的效率來估算，就算一條標(biāo)準(zhǔn)的TCB產(chǎn)線(包含4個熱壓鍵和頭) 12h加工能力不到3k顆，大概只有傳統(tǒng)的回流焊效率的十分之一到五分之一，這對量產(chǎn)來講簡直就是災(zāi)難。
設(shè)備原型機(jī)的訂單很快拋給了幾家有實(shí)力也有意向的供應(yīng)商，有的廠家看到技術(shù)指標(biāo)大呼不可能，很快放棄了英特爾的橄欖枝。面對難以逾越的技術(shù)鴻溝，ASM Pacific一開始并不是最有希望的，但誘惑是巨大的，一旦成功ASM-P將晉升細(xì)分領(lǐng)域的頂尖玩家，執(zhí)行業(yè)之牛耳。ASM-P為此做了充分準(zhǔn)備，調(diào)動公司的一切資源，聘請行業(yè)的大咖，以期能實(shí)現(xiàn)技術(shù)上的突破，正如該公司一路走來發(fā)展為行業(yè)龍頭的故事的又一次重復(fù)。在此兩家深度捆綁，克服一個又一個的困難，最終實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的成功開發(fā)，并于2014年將設(shè)備導(dǎo)入量產(chǎn)。對英特爾來講，全新理念的TCB設(shè)備讓該公司的封裝能力有了無限可能，除了更輕薄外，還可以做更復(fù)雜的封裝，比如EMIB，F(xiàn)overos，3D Die Stack等等。而對于ASM-P來說，TCB的成功讓其一躍而成為封裝細(xì)分領(lǐng)域的龍頭之一，在先進(jìn)分裝領(lǐng)域牢牢鎖定一席之地，此后ASM-P公司繼續(xù)在SMT行業(yè)攻城略地，續(xù)寫輝煌。
至此TCB修成了正果，下一篇文章我們將繼續(xù)探索英特爾公司在TCB上的各種工藝的開發(fā)和應(yīng)用，以及其優(yōu)缺點(diǎn)。
原文始發(fā)于微信公眾號（艾邦半導(dǎo)體網(wǎng)）：熱壓鍵合(TCB)與英特爾的先進(jìn)封裝