柔性電路板上倒裝芯片組裝技術(shù)解析

由思想來控制機(jī)器的能力是人們長久以來的夢想；尤其是為了癱瘓的那些人。近年來，工藝的進(jìn)步加速了人腦機(jī)器界面（BMI）的進(jìn)展。針對生物醫(yī)學(xué)的應(yīng)用，杜克大學(xué)的研究者已經(jīng)成功地利用神經(jīng)探針開發(fā)出訊號處理的ASIC，以及無線傳輸動(dòng)力與信息的電子電路系統(tǒng)。再下一步，就是開發(fā)組件的封裝技術(shù)。然而，這些組件將如何相互聯(lián)接呢？
尺寸和可靠性對生物醫(yī)學(xué)用的植入物而言，是最重要的兩個(gè)要素。微電子業(yè)的兩個(gè)封裝技術(shù)（倒裝芯片接合和柔性載板）正好適用于這個(gè)應(yīng)用。倒裝芯片接合技術(shù)已經(jīng)發(fā)展30多年了。此一技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是體積小、接線密度高，而且因?yàn)橐_短而電性得以改善4。倒裝芯片接合技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)勢，是能夠?qū)⒍鄠€(gè)不同尺寸的芯片封裝在同一片載板上，構(gòu)成多芯片模塊。這種封裝方式能免除又大又不可靠的連接器。

此外，由聚亞酰胺（polyimide）做成的柔性載板能夠彎曲和折迭，可以充分利用空間做成體積小的組件。但因?yàn)榫蹃嗸０凡牧蟽H適用于低溫接合技術(shù)（制程溫度低于攝氏200度），所以必須使用熱硬化黏膠，而非焊錫來提供機(jī)械性和電性的聯(lián)結(jié)。在這個(gè)研究中，我們使用低成本的柱形金凸塊技術(shù)，而非其它類似應(yīng)用中所采用的錫鉛凸塊技術(shù)。

為了發(fā)展適用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的制程，我們設(shè)計(jì)并以聚亞酰胺為基材制造測試芯片。這些測試芯片在打上柱形金凸塊后，被用來驗(yàn)證制程。我們分別測試了導(dǎo)電和絕緣的熱硬化黏膠，并在做過溫度循環(huán)測試后，測量接觸電阻以評量產(chǎn)品的可靠性。

接合技術(shù)
我們希望能夠使用柱形金凸塊技術(shù)和熱硬化黏膠，發(fā)展一個(gè)可靠的制程，將切割后的芯片接合在柔性載板上。在這個(gè)研究中，我們測試了兩個(gè)接合的方法；第一個(gè)方法使用絕緣的熱硬化黏膠、第二個(gè)方法使用導(dǎo)電黏膠和絕緣的底部填充膠。每一個(gè)測試組件都由測試電路載板和仿真芯片（dummychip）所組成。管腳陣列封裝的載板也被設(shè)計(jì)在同一片聚亞酰胺載板上，以便于未來用于測試神經(jīng)訊號放大器芯片。

仿真芯片的制備：為了使軟性的仿真芯片能像硅芯片一樣硬，我們得在這個(gè)軟性的仿真芯片背部加上一個(gè)加強(qiáng)性構(gòu)件?？墒怯奢d板制造商提供的加強(qiáng)性構(gòu)件太軟了，所以我們用一小塊1毫米厚的顯微鏡用的載玻片取代制造商所提供的加強(qiáng)性構(gòu)件。柱形金凸塊：測試中所使用的仿真芯片和芯片的柱形金凸塊都是用手動(dòng)金球焊線機(jī)（Kulicke&Soffa抯4524AD）做出來的。
絕緣的熱硬化黏膠接合：在絕緣的熱硬化黏膠接合方法中，長了柱形金凸塊的芯片和載板用絕緣的熱硬化黏膠接合。芯片和載板的對準(zhǔn)和接合是用倒裝芯片接合機(jī)（SUSSMicrotec抯FC150）。接合的步驟如下:
1.將長了柱形金凸塊的芯片和載板裝載到倒裝芯片接合機(jī)。
2.芯片和載板由倒裝芯片接合機(jī)對準(zhǔn)。
3.將絕緣的熱硬化黏膠涂布在載板上。
4.依表2與圖3的條件將芯片與載板接合。
5.黏膠在接合的壓力下被熱硬化，然后在釋壓前冷卻下來。

導(dǎo)電黏膠的接合技術(shù)

在導(dǎo)電黏膠的接合方法中，先將長好柱形金凸塊的芯片放入銀膠的薄層。再把這個(gè)沾了銀膠的芯片用絕緣的熱硬化黏膠與載板接合。芯片和載板的對準(zhǔn)和接合也是使用倒裝芯片接合機(jī)。接合的步驟如下：
1.將長了柱形金凸塊的芯片裝載到倒裝芯片接合機(jī)。
2.將載玻片放在放載板的吸盤上。
3.將薄薄的一層導(dǎo)電銀膠在涂布在載玻片上。注意:將導(dǎo)電銀膠稀釋10%以達(dá)成較好的沾膠效果。
4.用倒裝芯片接合機(jī)將導(dǎo)電銀膠延展成30微米厚。
5.將長了柱形金凸塊的芯片壓入30微米厚的導(dǎo)電銀膠層。
6.取走載玻片，然后放入載板。
7.在載板上涂布絕緣的熱硬化黏膠。
8.將芯片與載板對準(zhǔn)，然后透過黏膠與載板接合。
9.黏膠在接合的壓力被熱硬化，然后在釋壓前冷卻下來。

溫度循環(huán)測試：溫度循環(huán)測試經(jīng)常被用來驗(yàn)證接合點(diǎn)的可靠度。在溫度循環(huán)測試期間，每30秒就記錄一次溫度和仿真芯片上一對凸塊間的電阻。
溫度循環(huán)測試的溫度變化條件設(shè)定如下:
1.保持在攝氏85度，10分鐘。
2.以最快的速度降溫到攝氏零下10度。
3.保持在攝氏零下10度，10分鐘。
4.以最快的速度升溫到攝氏85度。
5.重復(fù)這個(gè)溫度變化周期。

將仿真芯片從聚亞酰胺基材上切割下來，黏合載玻片以加強(qiáng)軟性仿真芯片的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，打上柱形金凸塊，然后以前述的兩種方法（絕緣的熱硬化黏膠接合技術(shù)、導(dǎo)電的熱硬化黏膠接合技術(shù)）將仿真芯片與柔性載板接合起來。由于這個(gè)做在聚亞酰胺基材上的仿真芯片是半透明的，我們能夠以目檢檢視接合的界面。柱形金凸塊看起來是很平均的被壓縮，這表示平面度控制得很好。對準(zhǔn)的精確度控制在3微米之內(nèi)?？梢钥吹皆陴つz層之內(nèi)有一些空氣氣泡，但是，這些空氣氣泡看來并不會影響效能。

使用柱形金凸塊和黏膠的接合技術(shù)有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。首先，這個(gè)方法適用于已切割的芯片。實(shí)際上，使用軟性的仿真芯片作為測試組件，是一個(gè)發(fā)展接合技術(shù)的較廉價(jià)且實(shí)際的方法。而半透明的測試組件更是使用聚亞酰胺做為基材時(shí)所未預(yù)料到好處。由于測試組件是半透明的，我們可以輕易的使用光學(xué)微鏡來檢查接合的質(zhì)量。使用絕緣的熱硬化黏膠接合技術(shù)，制程步驟較為簡單，并且不需要清洗步驟與額外的底部填充膠。在導(dǎo)電黏膠的接合方法中有幾個(gè)步驟需要非常小心的控制，尤其是涂布銀膠與沾膠。此外，為了機(jī)械強(qiáng)度的考慮，需要增加涂底部填充膠的步驟。這兩個(gè)方法的共通缺點(diǎn)就是黏膠固化時(shí)間（10分鐘）太長；就研究而言，這是可接受的。然而，就量產(chǎn)而言，一種固化時(shí)間更短的黏膠是有必要的。我們相信黏膠和底部填充膠被固化時(shí)，能將芯片和載板拉緊，因而強(qiáng)化了接合的質(zhì)量。在溫度循環(huán)測試中，絕緣的熱硬化黏膠接合技術(shù)的平均電阻，符合我們的預(yù)期；這個(gè)結(jié)果也和其它單位的結(jié)果相當(dāng)。使用絕緣的熱硬化黏膠接合技術(shù)，在柔性載板做倒裝芯片接合所制備的組件與商業(yè)化生產(chǎn)的陶瓷管腳陣列封裝組件，在電性上的表現(xiàn)是一致的。此外，此一技術(shù)還有體積小與能適用于不同形狀的優(yōu)勢。
為了以倒裝芯片封裝將神經(jīng)訊號放大器的ASICS芯片接合上柔性載板，我們開發(fā)并評估了兩種接合方法，并用制造于聚亞酰胺基材上的仿真芯片做制程的開發(fā)與測試?；谥瞥毯唵闻c可靠性佳的考慮，我們選用絕緣的熱硬化黏膠接合技術(shù)與柱形金凸塊技術(shù)。我們也用這個(gè)方法將神經(jīng)訊號放大器的ASICS芯片接合上管腳陣列封裝載板。第一個(gè)試做就產(chǎn)出了一個(gè)100%功能良好的產(chǎn)品。