覆晶裝配製程

要將覆晶技術整合到現有的產品設計中，必需對標準SMT製程作出許多改進。覆晶元件的貼裝通常可利用現有的貼片機來完成，而覆晶的充膠製程的確需要專門的設備。典型的覆晶生產線通常由助焊、置放和回焊部分構成，以及獨立的充膠和固化部分。

助焊劑步驟所採用的材料和方法會對生產的可靠性和產量產生很大的影響。浸漬和噴塗助焊是最常用的兩種方法。噴塗所採用的大部分助焊劑都是稱作「無殘渣液體」助焊劑，其酒精含量達98～99％。在置放之前將助焊劑噴到基板上，由於酒精在室溫下會迅速揮發，在電路板處理和回焊的過程中，剩餘助焊劑的黏性不足以固定覆晶，會導致晶片移位。因此，可以採用浸漬法為覆晶元件塗上黏性助焊劑。通常浸漬法用刮膠刀將免洗助焊劑塗敷到可以旋轉的平臺上，形成一層薄膜。這樣晶片錫球就可以浸泡在助焊劑中，並貼裝到基板上。

與不能為晶片提供黏著性的液體助焊劑相比，黏膠助焊劑可在加工時確保晶片不移位，因而出現問題的可能性不大。助焊劑和底部充膠劑的選擇應根據晶片鈍化、錫球冶金、基板、焊錫掩膜和焊盤冶金等來決定。在確定浸泡助焊製程的製程窗口時，詳細瞭解錫球高度分佈和可能的錫球缺陷非常重要。

助焊劑膜的最小厚度取決於晶片內錫球高度的變化。要確保晶片上的良好焊接狀況，所有的錫球都必需浸泡到助焊劑中。要建立適合塗敷助焊劑的製程窗口，可以利用裸板先進行試驗。

貼裝階段

覆晶元件的處理可在托盤外進行。當考慮在貼片機上裝配覆晶時，需要進行數項配置選擇，包括光學解析度、照明幾何結構、加工能力、貼片工具和基板支架工具。由於覆晶的連接介面是焊球，僅採用簡單的晶片邊緣技術並不足以對覆晶進行定位和貼裝。

要避免覆晶貼片的方向錯誤，應採用不對稱的可編程錫球圖樣以茲識別。貼片機必須具有足夠的光學解析度、照明結構和處理能力，能將錫球圖樣定位在覆晶的底部。貼片機還須具有固有的精確度，以便將晶片精確地貼裝在基板上。此外，吸嘴必須具備合適尺寸，並採用適當的材料製成，確保當晶片浸泡到助焊劑中時（黏性助焊劑），晶片不會落入助焊塗膠機，並且協助晶片與吸嘴在貼片時的脫離過程。

最後，基板支架必需牢牢地固定住基板，確保不會因為貼片而產生位移。印刷時，良好的支架裝置不僅能支撐基板，還能簡化操作，避免基板在回流和固化爐中由於傾斜而產生翹曲和變形。在選擇貼片配置時，還需要考慮其他與特定製程相關的問題。

貼片製程的產量取決於許多參數，包括電路板的容差（焊錫掩膜、銅層）、焊墊設計和貼片精度等。焊接掩膜的容差是影響覆晶裝配產量的重要因素之一。因此有必要進行不同的參數試驗，使焊接掩膜的效應降至最小。例如，由於所要求的焊墊設計不同，間距越小，焊錫掩膜的配準效應越明顯，因此，對貼裝精度和焊錫掩膜容差的要求也越高。

底部充膠階段

《圖一　影響充膠製程之參數綜述》

如(圖一)所示，為影響充膠製程的參數綜述，各種不同材料間的多種相互作用清楚地表明，所採用的材料必需作為一個系統來對待，一旦某種材料或設備發生變化，則整個系統必須進行重新評估。

特別是流動溫度、點膠路徑和時間的製程視窗必須根據各個特定的應用和材料來建立。更重要的是，與所選的材料一樣，這些參數會對元件的可靠性產生重大影響。

在加工過程中，基板和晶片上的污染物也會對充膠製程和總體可靠性產生重要影響。由於焊接的工序非常嚴謹，並不需要使用清潔室，但仍需操作人員使用手套來裝卸電路板，避免在充膠固化前，電路板會受到灰塵顆粒和化學物質的污染。

應避免在發生印刷錯誤後清理過程中或在維修時沾污電路板。在充膠前將元件暴露在潮濕的環境下，會影響其可靠性。不幸的是，暴露於潮濕環境下的容限取決於基板的設計和材料，以及對可靠性的要求。

要確保高產量以及獲得良好的可靠性，便需對材料進行檢查，並在生產過程中進行測試。正如之前所述，裝配產量和必要的製程參數乃由基板和晶片品質決定。因此，需要監控這些材料的品質。

影響製程的因素

假使影響製程的因素發生任何變化，例如採用新的清潔工序或加工流程處理基板，以及凸塊形成技術和充膠材料發生任何變化，都必需加以考慮，以評估其對製程的影響。

此外，基板的容差必須密切監控，以確保在裝配生產中達到高產量。為了保證品質，必須瞭解凸塊形成製程及監控錫球的高度分佈。另外，可以對錫球進行剪切力測試，以找出錫球的系統性介面弱點。根據採用的錫球凸塊形成技術，失效模式的變化或剪切力，可以指出晶圓批次中存在的系統性問題。這些變化可表明晶片或焊球的底部錫球金屬化（UBM）的缺點和可能存在的介面問題。

材料

底部充膠劑屬性的批次變化通常難以察覺。底部充膠要求的儲存溫度為-40°C以下，如在室溫下則會迅速老化。運輸和存儲時的溫度變化會對充膠材料的性能造成很大影響。通過簡單的標準化測試可以監控底部充膠劑批次的變化。可能進行的測試是流動測試和基底潤濕角度的測量。

材料的選擇是元件可靠性和製程能力的最關鍵因素之一。例如，熱質低的材料易於實現均勻的加熱在回流、底部充膠和固化過程中。

離線X光測試設備會用來進行焊接品質的常規測試。由於採用了帶接觸軌道的圓形焊墊設計，在這種情況下，採用一個二維X射線已足以檢測焊接的品質。(圖二)所示為焊墊幾何形狀產生的可見焊點構造。因為錫球在回流過程中不會變形，所以可以輕易地探測基板上的不浸潤焊墊。

《圖二　焊墊幾何形狀產生的可見焊點構造》

其它可觀測的失效形式還包括虛焊和搭接。產生搭接的原因是擠壓出來的焊劑填塞了焊球間的空隙。由焊球的間距所決定，這些空隙能夠將兩個焊點連接起來，從而在熱迴圈或附加回流時造成搭接。

(圖三)和(圖四)所示為一些典型的失效情況。由於焊球間距較大，達到400μm，在這種特定的應用領域中出現失效的風險很小。

《圖三　典型的失效情況》

《圖四　典型的失效情況》

充膠製程的品質是通過聲學顯微鏡來監控的。由於不希望所有的配件都浸沒到水裏來測試，因此採用了抽樣的方法去檢測虛空和不完善的充膠過程。另外也可進行破壞性的測試，用磨削方法將晶片從配件上取下，以檢查充膠層的狀況。

結論

將覆晶技術整合到標準SMT製程流程中有許多的問題亟待解決。助焊劑和充膠劑的材料選擇，受到晶片鈍化、錫球冶金、基板、焊接掩膜和焊墊冶金等因素影響。製程窗口和穩定性的要求使浸漬助焊製程成為首選。電路板設計和元件間距會對裝配的產量產生重要影響。對於充膠製程而言，必須因應個別的應用和材料，建立流程溫度、點膠路徑及時間的製程視窗。在生產過程中，尤其是在充膠工序中，存在著多種相互作用，因此必須對進入生產線的材料進行監控，如錫球高度分佈和充膠流程性能，以及電路板品質。在加工過程中，電路板和晶片上的污染物也會對充膠製程和整體可靠性造成重大影響。此外，為了保證可靠性和良好的充膠性能，有時還需要對電路板進行額外的烘乾處理。

新型材料和製程的使用，使得覆晶技術難以維持高產、優質和高競爭力。這項技術還需要得到與特定應用相關研發組織的持續支援和相互合作。儘管如此，針對保守的間距和可靠性要求應用的標準解決方案還是可行的。

材料系統的選擇是導致所要求可靠性和裝配產量的關鍵因素。與其他技術有所不同，覆晶裝配的技術可因應設施、設備和培訓的投資情況，採用進階的方式實現。但覆晶在特定應用中的引進，必需根據個別的具體情況來決定。（作者為環球儀器中國／香港區總經理）