随着微电路的微型化，所有用于制造微电路的工艺都必须进行改造或更换，以适应更小、更薄的电路，并实现更高的精度。这一点在“先进封装”领域尤为明显。这是生产过程中的一道工序，具体是指将集成电路 称为“芯片”）安装并电气连接到基板或电路板上，随后进行封装。
倒装芯片基本原理
一种广泛采用的先进封装技术是“倒装芯片”。在过去十年中，这种方法越来越受欢迎，因为它比引线键合等传统方法具有多项优势。这些优势包括更低的成本、更高的封装密度和更高的可靠性。
为了进行倒装芯片封装，首先将导电材料（通常是焊料或金）的小凸点沉积到半导体晶圆顶部的导电焊盘上。然后，将晶圆切割成单个芯片（称为芯片分离）。
接下来，拿起一颗芯片，将其翻转使联系 下，并将其放置在待安装的基板上。该基板通常为印制电路板。芯片需进行非常精确的对准，以确保芯片上的凸点与基板上相应的导电焊盘（朝上）对齐。随后，将芯片凸点联系 基板焊盘联系 。
然后将该组件放入烤箱中，加热至焊料（或凸点所含的任何材料）的熔点以上。焊料熔化并“回流”，粘附在芯片和基板上的导电焊盘上。最后，烤箱冷却，焊料凝固，在芯片和基板之间形成电气和机械连接。
热压键合——薄芯片的解决方案
随着IC和基板变得更薄，以及焊料凸点尺寸及其间距（称为节距）缩小到100微米以下，倒装芯片工艺开始出现问题。具体来说，加热循环会导致IC和基板翘曲。这可能是由于加热循环期间这些组件上的温度梯度以及不同部件之间热膨胀系数（CTE）不匹配造成的。
如果部件翘曲足够严重，就会导致芯片和基板之间错位。这可能导致开路（无连接），或者在某些情况下甚至短路（焊球桥接）。
热压键合（TCB）是一种专门为扩展倒装芯片能力而开发的技术。具体来说，TCB提供了一种更可靠的方式来对薄芯片进行大批量连接。
传统倒装芯片键合与TCB之间的区别在于，后者在整个操作过程中以极高的精度主动监测和控制芯片和基板的温度、施加力、位置和方向。过程中的每一步都在进入下一步之前进行验证。所有这些控制带来了更好、更可靠的键合，以及更高的一致性。
用于实现所有这些功能的TCB系统主要元件如图所示。其中包括安装在气浮轴上的直线伺服电机，可将芯片垂直定位精度达到1微米。还有一个倾斜台用于角度定位，以保持芯片和晶粒的共面性。加热器和冷却器都精确控制芯片的温度以及温度升高或降低的速率。这组组件的底部是一个真空吸盘或喷嘴，用于固定芯片本身。并且嵌入了一系列传感器，用于在整个操作过程中持续监测芯片和基板的温度、施加力、位置和方向。
热压键合系统包括用于定位和定向芯片和基板的平台、用于控制其温度的加热器和冷却器、用于固定芯片的真空喷嘴，以及各种传感器和视觉系统（未显示）以监测和控制过程。
TCB工艺的起始步骤与传统的倒装芯片工艺相同。具体来说，首先在芯片上制备焊料凸点。随后，拾取芯片，使其与基板对准，并将其压下直至凸点联系 基板联系 。此后，加热与芯片移动的循环便开始了。
随着焊料熔化，芯片首先向基板移动，然后稍微远离，最后再次向基板移动。温度和施加力也随之变化。所有这些都确保了芯片和基板之间良好的对准和键合、均匀的焊点高度以及无缺陷的连接。
高意 垂直整合的TCB喷嘴材料及成品组件制造商。我们能够制造各种尺寸和形状的喷嘴，并可加工内部结构，例如这款4H SiC部件。
喷嘴用先进材料
除了TCB系统中的平台、热器件和传感器之外，喷嘴是另一个关键元件。它具有三个关键功能。首先，它包含用于气流的各种孔或通道，使其能够充当真空吸盘。其次，它在整个过程中保持芯片的平整度（因为真空将部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芯片的温度。
为了满足这些要求，理想的喷嘴必须由机械刚性材料制成，该材料可以加工成非常光滑和平坦的部件。这对于在整个过程中牢固地固定芯片并使其保持平坦是必要的，即使其上的力发生变化。
此外，喷嘴材料必须具有较高的导热率。这能确保由加热器和冷却器引发的温度变化迅速传递至模具。精确控制模具温度的能力——以及快速进行热循环的能力——是该工艺成功的关键，也是缩短其整体节拍时间的关键。
能够满足所有这些要求的材料寥寥无几，但高意 三种不同的材料，并能利用其中任何一种制造成品TCB喷嘴。它们分别是 反应烧结 SiC (SiC)、单晶 SiC 以及多晶金刚石。每种材料均具有其独特的特性和优势，具体总结如下表所示。
材料 |
导热率 |
表面粗糙度 |
光学透射性 |
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 |
多晶金刚石 |
2200 W/m-K |
< 10 nm |
是 |
是 |
高 |
与其他物质导热率 所有这些材料导热率 具有较高的导热率 其中金刚石的导热率 所有导热率 最高。反应烧结SiC 的一个关键特点反应烧结SiC 它能够轻松制备出所需的任何通孔或内部通道。此外，它还可以通过激光加工实现极高的平整度和较低的表面粗糙度。
金刚石和单晶碳化硅的共同优势在于它们在可见光和近红外波段具有透射性。这使得在最终部件中可以使用多种测量技术来测量平整度、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。这一特性在多种情况下都非常有用，包括保护半导体芯片免受静电放电 (ESD) 造成的损坏。
用这三种材料制造的喷嘴成本也存在差异。这很重要，因为喷嘴是需要定期更换的消耗品。
高意 垂直整合的TCB喷嘴制造商。我们从自主培育原材料开始，直至生产出成品部件。制造能力 的核心制造能力 能够制造出极平整的表面，并且配备了完善的计量设备来验证这种平整度。
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