随着微电路的不断微型化，必须对用于制造它们的所有工艺进行调整或更换，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上，然后进行封装。
倒装芯片基础知识
一种被广泛采用的先进封装技术称为“倒装芯片”。过去十年间，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更多优势。这些优势包括更低的成本、更高的封装密度以及更高的可靠性。
为了制备倒装芯片电路，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上的导电焊盘上。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，将其翻转使接触面朝下，并将其放置在待安装基板上方。这种基板最常见的是印刷电路板。芯片需进行非常精确的对准，使芯片上的凸点与基板上相应的导电焊盘（朝上）对齐。使芯片凸点与基板焊盘接触。
然后将该组件放入烘箱中，加热至高于焊料（或凸块中任何成分）的熔点。焊料熔化并“回流”，附着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
随着集成电路（IC）和基板越来越薄，以及焊料凸块的尺寸及其之间的间隙（称为间距）缩小至100微米以下，倒装芯片工艺开始遇到问题。具体来说，加热循环会导致集成电路和基板发生翘曲。这种情况的发生可能是由于加热循环期间这些组件之间的温度梯度，以及各部件之间的热膨胀系数（CTE）不匹配所造成的。
如果元件翘曲非常严重，可能会导致裸片与基板之间出现对位不准的情况。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，用于对薄裸片进行大批量芯片贴装。
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。在进入下一步之前，工艺的每个步骤都会经过验证。所有这些控制措施都能带来更优、更可靠的键合效果，以及更高的器件间一致性。
图中展示了用于完成所有这些任务的 TCB 系统的主要组件。其中包括安装在空气轴承轴上的线性伺服电机，它们能够以 1 µm 的精度对裸片进行垂直定位。此外，还有一个用于角度定位的倾斜平台，以保持芯片与裸片的共面性。加热器和冷却器均可精确控制裸片的温度及其升温或降温速率。这组组件的底部是一个真空吸盘或喷嘴，用于固定晶圆本体。此外，系统中还嵌入了系列传感器，可在整个操作过程中持续监测晶圆和基板的温度、施加的力、位置及方向。
热压键合系统包括用于定位和定向裸片及基板的平台、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，以及用于监测和控制该过程的各种传感器和视觉系统（未显示）。
TCB 工艺的起始步骤与传统倒装芯片工艺相同。即，制备带有焊料凸点的裸片。随后，拾取裸片，使其与基板对齐，然后将裸片放置到位，直至凸点与基板接触。此后，开始加热与移动裸片的循环。
当焊料熔化时，裸片会先向基板移动，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。所有这些因素共同确保了裸片与基板之间能够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。
高意 能够提供 TCB 喷嘴材料及成品部件。我们可以制造具有内部特征的各种尺寸和形状的喷嘴，例如这款 4H SiC 部件。
用于喷嘴的先进材料
除了 TCB 系统中的基板、加热装置和传感器之外，另一个关键组件是喷嘴。它具有三个关键功能。首先，它包含各种气流孔或通道，使其能够充当真空吸盘。其次，它在整个过程中保持裸片的平整度（因为真空会将部件牢固地吸附在其表面上）。最后，它传递热量，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，理想的喷嘴必须采用机械刚性材料制成，这种材料能够制造出非常光滑平整的部件。即使裸片所受的力发生变化，这一点对于牢固地固定裸片并在整个过程中保持其平整度也是必不可少的。
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起的温度变化能够迅速传递到裸片。精确控制裸片温度并对其进行快速热循环的能力，是该工艺成功以及最大限度缩短总节拍时间的关键。
能够满足所有这些要求的材料寥寥无几，高意 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。这些材料分别是反应烧结碳化硅（SiC）、单晶碳化硅和多晶金刚石。每种材料都有其独特的特点和优势，下表对此进行了总结。
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——其中金刚石的导热率在所有材料中最高。反应烧结碳化硅的一个关键特征在于，它能够轻松形成所需的任何通孔或内部通道。此外，通过激光加工，它还能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优点在于它们在可见光和近红外波段具有透射性。这使得可以采用多种测量技术来测量最终零件的平整度、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。该特性有多种用途，包括保护半导体裸片，使其免受静电放电 (ESD) 的损害。
由这三种材料制成的喷嘴在成本上也存在差异。这一点很重要，因为喷嘴是需要定期更换的耗材。
高意 TCB 喷嘴制造商。我们从自主研发材料开始，直至生产成品零件。我们制造能力的一个关键优势在于能够生产出非常平整的表面，并且我们拥有大量计量设备来验证这种平整度。
详细了解高意 反应烧结碳化硅（SiC）、单晶碳化硅和多晶金刚石。
