隨著半導(dǎo)體產(chǎn)品高性能、輕薄化發(fā)展，封裝技術(shù)作為連接芯片與外界環(huán)境的橋梁，其重要性日益凸顯。在眾多封裝技術(shù)中，熱壓鍵合（Thermal Compression Bonding）工藝技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在高性能、高密度封裝領(lǐng)域占據(jù)了一席之地，傳統(tǒng)的倒裝回流焊封裝工藝，因其翹曲、橋接、移位等各種缺陷，逐漸被熱壓鍵合TCB所取代。本文主要跟大家分享的就是剖析熱壓鍵合技術(shù)，并探討氧氣濃度監(jiān)控在TCB工藝中的重要性。

熱壓鍵合（TCB）工藝技術(shù)介紹

熱壓鍵合，英文全稱：Thermal Compression Bonding，簡(jiǎn)稱：TCB，它是一種先進(jìn)的封裝工藝技術(shù)，通過(guò)同時(shí)施加熱量和壓力，將芯片與基板或其他材料緊密連接在一起。這種技術(shù)能夠在微觀層面上實(shí)現(xiàn)材料間的牢固連接，為半導(dǎo)體器件提供穩(wěn)定可靠的電氣和機(jī)械連接。TCB工藝技術(shù)廣泛應(yīng)用于集成電路、微電子、光電子等行業(yè)，特別適用于需要高精度、高可靠性封裝的高端芯片。

TCB設(shè)備的核心組件
TCB設(shè)備的心臟是貼片頭(Bond Head)，由線性伺服馬達(dá)(Linear Servo Motor)驅(qū)動(dòng)空氣軸承(Air Bearing)運(yùn)動(dòng)，如圖7所示。有賴于高精度的伺服系統(tǒng)以及無(wú)摩擦的空氣軸承導(dǎo)軌，垂直方向的運(yùn)動(dòng)精度可以控制在1um以內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)錫球熔化過(guò)程下的微移動(dòng)的精準(zhǔn)控制。

貼片頭配備了應(yīng)力控制單元(Force Sensor)，快速升降溫脈沖加熱器(Pulse Heater)，還配備了一套主動(dòng)傾斜控制系統(tǒng)(Active Tip Tilt)。

主動(dòng)傾斜控制系統(tǒng)(Active Tip Tilt)可以精確調(diào)節(jié)脈沖加熱器的共面度，使其與基板(Substrate)所在的加熱板(Hot Pedestal)的表面完美貼合，在22mm x 33mm的區(qū)域內(nèi)，可使上下兩個(gè)平面共面間距不超過(guò)3um，幾乎可以消除芯片翹起相關(guān)的失效。

壓力傳感器(Force Sensor)與壓力傳動(dòng)方向同步，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)貼片頭在垂直方向運(yùn)動(dòng)中的應(yīng)力反饋，從而得知芯片在貼片過(guò)程中的受壓狀態(tài)。線性伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)可提供貼片頭超過(guò)10N的貼片壓力，壓力伺服控制反饋系統(tǒng)可提供0.05N壓力控制精度。

脈沖加熱器(Pulse Heater)可提供每秒超過(guò)100度的升溫速率，以及超過(guò)50度/秒的降溫速度，這樣從約400度（貼片過(guò)程中的最高溫度）降到待機(jī)150度只需5秒左右?？焖偕郎亟禍啬芰梢员苊膺^(guò)多的熱量持續(xù)加載給基板，并且顯著縮短貼片所需時(shí)間。

加熱單元中的組件得到充分工程優(yōu)化，有良好的溫度均一性，以及100度/秒的升溫速率下，在22mm x 33mm區(qū)域內(nèi)加熱塊表面的溫度差異不超過(guò)10度。由此保證了芯片和基板的接觸面錫球可以同步熔化。

貼片頭使用的芯片吸頭(Nozzle)為片狀，尺寸與芯片尺寸匹配，材質(zhì)為單晶，有極佳的導(dǎo)熱性能，內(nèi)有真空通道，可以將芯片牢牢吸附固定，且芯片吸頭可以自動(dòng)更換，可實(shí)現(xiàn)同一個(gè)基板貼裝若干尺寸不同的芯片。

涂覆有液態(tài)助焊劑(Flux)的基板真空固定在加熱板(Pedestal)上，加熱板所在的平臺(tái)(Bond Stage)坐落在空氣軸承之上，在線性伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行無(wú)摩擦的水平移動(dòng)。加熱板最高可被加熱到200度，在基板的貼片過(guò)程中可以精準(zhǔn)控制基板的溫度。芯片和基板通過(guò)上下同軸的高分辨率的相機(jī)系統(tǒng)對(duì)位(Up Looking and Down Looking Optics)，該相機(jī)系統(tǒng)是熱控設(shè)計(jì)，可避免圖像因高溫畸變，如下圖所示。高精度的相機(jī)，以及無(wú)摩擦氣墊運(yùn)動(dòng)的基板平臺(tái)，保證了芯片和基板的極小的水平位置偏差，22mm x 33mm的芯片的偏移可小于2.5um且滿足Cpk 1.33。

焊接裝置示意圖

貼片頭，光學(xué)相機(jī)板以及真空加熱板都位于密閉的腔體內(nèi)，如上圖所示。冷卻板(Cooling Plate)將整個(gè)腔體分為上方的大的惰性氣體腔(Macro Inter Chamber)和小的惰性氣體腔(Micro Inert Chamber)，冷卻板的正中央有一個(gè)開(kāi)孔，貼片頭的芯片通過(guò)此開(kāi)孔與基板結(jié)合。冷卻板可以防止下方大尺寸的加熱板的熱量傳遞到上方腔體，以避免影響貼片頭和光學(xué)相機(jī)板的功能。芯片轉(zhuǎn)移臂把芯片轉(zhuǎn)運(yùn)到冷卻板的中央開(kāi)孔處，之后貼片頭向下運(yùn)動(dòng)將芯片吸起，芯片轉(zhuǎn)移臂復(fù)位后，貼片頭進(jìn)一步向下運(yùn)動(dòng)，穿過(guò)中央開(kāi)孔，將芯片貼置于基板上。上方密封腔充滿了氮?dú)?N2)，將氧氣的濃度控制在100ppm以下，以防止芯片在加熱過(guò)程中的氧化。同時(shí)下方密封腔也有氮?dú)鈿饬?，氧氣的濃度同樣控制?00ppm以下，以保護(hù)基板在加熱過(guò)程中不被氧化。

氧氣濃度監(jiān)控傳感器推薦：

在TCB工藝中，氧氣濃度監(jiān)控是保障鍵合質(zhì)量、提升封裝可靠性的關(guān)鍵技術(shù)之一。為了確保鍵合區(qū)域的低氧環(huán)境，通常采用氮?dú)獗Ｗo(hù)，將氧氣濃度控制在100ppm以下，以防止芯片氧化。

對(duì)于氧氣濃度監(jiān)控，奧地利SENSORE離子流氧氣傳感器- SO-B0-001是一款基于極限電流原理的微量氧傳感器，可以在焊接設(shè)備環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行。傳感器檢測(cè)范圍10-1000ppm氧氣，最高可以在350℃環(huán)境工作，全量程精度20ppm，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制鍵合區(qū)域的氧氣濃度，傳感器可以顯著提高焊接質(zhì)量、穩(wěn)定性和生產(chǎn)效率，是確保焊接過(guò)程順利進(jìn)行和最大化效益的關(guān)鍵步驟。廣泛應(yīng)用于波峰焊、回流焊、電子、半導(dǎo)體行業(yè)焊接爐及惰性氣體燒結(jié)爐等保護(hù)氣體在線氧分析。綜上，氧濃度監(jiān)控是TCB工藝中保障鍵合質(zhì)量、提升封裝可靠性的技術(shù)之一，其精度直接影響高性能芯片的長(zhǎng)期穩(wěn)定性?。

奧地利SENSOR離子流氧氣傳感器系列測(cè)量范圍，精度，重復(fù)性和響應(yīng)時(shí)間

審核編輯 黃宇