随着微电路的不断缩小，必须对用于制造它们的所有工艺进行重新调整或更换，以便应用于更小、更薄的电路并提供更高的精度。在“先进封装”领域尤其如此。在这个生产步骤中，各个集成电路（称为“裸片”）被安装并电连接到基板或电路板，然后对其进行封装。
倒装芯片基础知识
一种广泛采用的先进封装技术称为“倒装芯片”。这种方法在过去十年中变得越来越流行，因为它比引线键合等旧方法具有更多优势。这些优势包括更低的成本、更高的封装密度和可靠性。
为了准备倒装芯片电路，首先需要将导电材料（通常是焊料或金）的小凸块沉积到半导体晶圆顶表面的导电焊盘上。然后，将晶圆切割成单独的芯片（称为裸片分割）。
接下来，拾取单个裸片，转动使其接触面朝下，并将其放置在要安装到的基板的上方。该基板最典型的是印刷电路板。芯片被非常精确地对准，使得芯片上的凸块与基板上相应的导电焊盘（面朝上）匹配。使芯片凸块与衬底焊盘接触。
然后将该组件放入烘箱中，加热到焊料（或凸块的任何成分）的熔点以上。焊料熔化并“回流”，粘在裸片和基板上的导电焊盘上。最后，烘箱冷却，焊料固化，在芯片和基板之间形成电气和机械键合。
热压键合 – 薄裸片封装解决方案
随着 IC 和基板变得越来越薄，以及焊料凸块尺寸和它们之间的空隙（称为间距）缩小到 100 µm 以下，倒装芯片工艺开始遇到问题。具体来说，加热循环会导致 IC 和基板翘曲。发生这种情况可能是由于加热循环期间这些组件之间的温度梯度以及各个部件之间的热膨胀系数 (CTE) 不匹配造成的。
如果零件翘曲非常严重，则可能导致在裸片和基板之间出现未对准情况。这可能会导致开路（无连接），或者在某些情况下甚至导致短路（焊球桥接）。
热压键合 (TCB) 是一项专门为扩展倒装芯片功能而开发的技术。具体来说，TCB 提供了一种更可靠的方法来执行薄裸片的大批量芯片贴装。
传统倒装芯片键合与 TCB 的区别在于，后者在整个操作过程中以极高的精度主动监控和控制裸片及基板的温度、施加的力、位置和方向。在继续下一步之前，流程的每个步骤都会经过验证。所有这些控制措施都会带来更好、更可靠的键合效果以及更高的设备间一致性。
用于完成所有这些任务的 TCB 系统的主要元件如图所示。其中包括空气轴承轴上的线性伺服电机，它们能够以 1 µm 的精度垂直定位裸片。还有一个用于角度定位的倾斜平台，以保持芯片和裸片的共面性。加热器和冷却器都能精确控制裸片的温度以及温度升高或降低的速率。这堆元件的底部是一个真空吸盘或喷嘴，用于固定裸片本身。并且嵌入了一系列传感器，能够在整个操作过程中连续监控裸片和基板的温度、施加的力、位置和方向。
热压缩键合系统包括用于定位和定向裸片和基板的平台，用于控制其温度的加热器和冷却器，用于容纳裸片的真空喷嘴，以及用于监视和控制该过程的各种传感器和视觉系统（未显示）。
TCB 工艺的开始过程与传统倒装芯片相同。即，制备具有焊料凸块的裸片。然后，拾取裸片，与基板对齐，然后放下裸片，直到凸块与基板接触。此后，加热和裸片移动循环开始。
当焊料熔化时，裸片首先移向基板，然后稍微远离基板，最后再次移回基板。温度和施加的力也各不相同。所有这些都确保了裸片和基板之间实现良好的对准和键合、均匀的焊点高度以及无缺陷的连接。
Coherent 高意是一家垂直整合制造商，能够供应 TCB 喷嘴材料和成品部件。我们可以制造具有内部特征的各种尺寸和形状的喷嘴，例如这个 4H SiC 部件。
用于喷嘴的先进材料
除了 TCB 系统中的平台、热装置和传感器之外，另一个关键元件是喷嘴。它具有三个关键功能。首先，它包含各种气流孔或通道，使其可以充当真空吸盘。其次，它在整个过程中保持裸片的平整度（因为真空将零件牢固地固定在其表面上）。最后，它传导热量，使 TCB 系统中的加热和冷却元件能够改变裸片的温度。
为了满足这些要求，理想的喷嘴必须由机械刚性材料制成，这种材料可以制成非常光滑和平坦的零件。即使裸片上的力发生变化，这对于牢固地固定裸片并在整个过程中保持其平坦都是必要的。
此外，喷嘴材料必须具有高导热性。这确保了由加热器和冷却器引发的温度变化能够快速传递到裸片。精确控制裸片的温度并对其进行快速热循环的能力是该过程成功以及最大限度缩短总节拍时间的关键。
满足所有这些要求的材料很少，但 Coherent 高意能够生产三种不同的材料，并且可以用其中任何一种材料制造成品 TCB 喷嘴。这些是反应烧结碳化硅 (SiC)、单晶碳化硅和多晶金刚石。每种材料都有其特定的特点和优势，下表中对其进行了总结。
材料 |
导热率 |
表面粗糙度 |
光透射率 |
电绝缘体 |
成本 |
反应烧结碳化硅 |
255 W/m-K |
< 25 nm |
否 |
否 |
低 |
单晶碳化硅 |
370 W/m-K |
< 2 nm |
是 |
4H：否 6H：是 |
中等 |
多晶金刚石 |
2200 W/m-K |
< 10 nm |
是 |
是 |
高 |
与其他物质相比，所有这些材料都具有较高的导热率 – 金刚石具有所有材料中最高的导热率。反应烧结碳化硅的一个关键特征是，它可以很容易产生任何需要的通孔或内部通道。此外，它还可以通过激光加工来实现非常高的平整度和较低的表面粗糙度。
金刚石和单晶碳化硅的优点是它们在可见光和近红外区域具有透射性。这使得可以使用多种测量技术来测量最终零件的平面度、厚度和平行度，从而实现更高精度的制造。
多晶金刚石和 6H 单晶碳化硅是电绝缘体。该属性的用途有多种，包括保护半导体裸片，使其避免因静电放电 (ESD) 而损坏。
由这三种材料制造的喷嘴的成本也存在差异。这很重要，因为喷嘴是需要定期更换的消耗品。
Coherent 高意是一家垂直整合的 TCB 喷嘴制造商。我们从设计自己的材料开始，一直到生产成品零件。我们制造能力的一个关键组成部分是我们能够生产非常平坦的表面，并且我们拥有大量的计量设备来验证这种平坦度。
详细了解 Coherent 高意生产的反应烧结碳化硅 (SiC)、单晶碳化硅和多晶金刚石。
