隨著半導體產(chǎn)品高性能、輕薄化發(fā)展，封裝技術作為連接芯片與外界環(huán)境的橋梁，其重要性日益凸顯。在眾多封裝技術中，熱壓鍵合（Thermal Compression Bonding）工藝技術以其獨特的優(yōu)勢，在高性能、高密度封裝領域占據(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，并探討氧氣濃度監(jiān)控在TCB工藝中的重要性。

熱壓鍵合（TCB）工藝技術介紹

熱壓鍵合，英文全稱：Thermal Compression Bonding，簡稱：TCB，它是一種先進的封裝工藝技術，通過同時施加熱量和壓力，將芯片與基板或其他材料緊密連接在一起。這種技術能夠在微觀層面上實現(xiàn)材料間的牢固連接，為半導體器件提供穩(wěn)定可靠的電氣和機械連接。TCB工藝技術廣泛應用于集成電路、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設備的核心組件
TCB設備的心臟是貼片頭(Bond Head)，由線性伺服馬達(Linear Servo Motor)驅(qū)動空氣軸承(Air Bearing)運動，如圖7所示。有賴于高精度的伺服系統(tǒng)以及無摩擦的空氣軸承導軌，垂直方向的運動精度可以控制在1um以內(nèi)，從而實現(xiàn)錫球熔化過程下的微移動的精準控制。

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

主動傾斜控制系統(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)，可使上下兩個平面共面間距不超過3um，幾乎可以消除芯片翹起相關的失效。

壓力傳感器(Force Sensor)與壓力傳動方向同步，可實時監(jiān)測貼片頭在垂直方向運動中的應力反饋，從而得知芯片在貼片過程中的受壓狀態(tài)。線性伺服馬達驅(qū)動可提供貼片頭超過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100度的升溫速率，以及超過50度/秒的降溫速度，這樣從約400度（貼片過程中的最高溫度）降到待機150度只需5秒左右。快速升溫降溫能力可以避免過多的熱量持續(xù)加載給基板，并且顯著縮短貼片所需時間。

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更換，可實現(xiàn)同一個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(Bond Stage)坐落在空氣軸承之上，在線性伺服馬達驅(qū)動下進行無摩擦的水平移動。加熱板最高可被加熱到200度，在基板的貼片過程中可以精準控制基板的溫度。芯片和基板通過上下同軸的高分辨率的相機系統(tǒng)對位(Up Looking and Down Looking Optics)，該相機系統(tǒng)是熱控設計，可避免圖像因高溫畸變，如下圖所示。高精度的相機，以及無摩擦氣墊運動的基板平臺，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，光學相機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開孔，貼片頭的芯片通過此開孔與基板結合。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相機板的功能。芯片轉(zhuǎn)移臂把芯片轉(zhuǎn)運到冷卻板的中央開孔處，之后貼片頭向下運動將芯片吸起，芯片轉(zhuǎn)移臂復位后，貼片頭進一步向下運動，穿過中央開孔，將芯片貼置于基板上。上方密封腔充滿了氮氣(N2)，將氧氣的濃度控制在100ppm以下，以防止芯片在加熱過程中的氧化。同時下方密封腔也有氮氣氣流，氧氣的濃度同樣控制在100ppm以下，以保護基板在加熱過程中不被氧化。

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鍵技術之一。為了確保鍵合區(qū)域的低氧環(huán)境，通常采用氮氣保護，將氧氣濃度控制在100ppm以下，以防止芯片氧化。

對于氧氣濃度監(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，可以在焊接設備環(huán)境中穩(wěn)定運行。傳感器檢測范圍10-1000ppm氧氣，最高可以在350℃環(huán)境工作，全量程精度20ppm，通過實時監(jiān)測和控制鍵合區(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，是確保焊接過程順利進行和最大化效益的關鍵步驟。廣泛應用于波峰焊、回流焊、電子、半導體行業(yè)焊接爐及惰性氣體燒結爐等保護氣體在線氧分析。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之一，其精度直接影響高性能芯片的長期穩(wěn)定性?。

奧地利SENSOR離子流氧氣傳感器系列測量范圍，精度，重復性和響應時間

審核編輯 黃宇