超大規(guī)模紅外器件混成互連的新設(shè)備與新方法

謝 珩，張毓捷，王憲謀

(華北光電技術(shù)研究所，北京 100015)

1 倒裝焊原理和互連過程

1.1 倒裝焊原理及功能［1］

倒裝芯片是將芯片的有源面(具有表面鍵合壓點(diǎn))面向基座的粘貼封裝技術(shù)(即把芯片反轉(zhuǎn)，將有源面向下放置——這就是稱為“倒裝”的原因)。這是目前從芯片器件到基座之間最短路徑的一種封裝設(shè)計(jì)，為高速信號(hào)提供了良好的電連接。由于它不使用引線框架或塑料管殼，所以重量和外形尺寸都有所減小。倒裝焊機(jī)使用對(duì)準(zhǔn)鍵合工具吸住芯片，利用自對(duì)準(zhǔn)顯示系統(tǒng)將芯片放在基座上，芯片的焊料凸點(diǎn)被定位在相應(yīng)的基座接觸點(diǎn)，用加熱加壓的方法引起焊料回流并形成基座和芯片之間的電學(xué)和物理連接。與其他互連技術(shù)相比，倒裝芯片互連技術(shù)有一些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn):有可靠的電學(xué)性質(zhì)，因連接線短，寄生阻抗低，具有良好的抗電磁干擾能力;在實(shí)現(xiàn)電互連的同時(shí)也起到了機(jī)械連接作用，具有很高的機(jī)械可靠性和有效的熱傳導(dǎo)特性。

1.2 紅外探測(cè)器和讀出電路的互連過程

紅外探測(cè)器組件的探測(cè)器芯片和讀出電路是分開制備的。在讀出電路表面制備與探測(cè)器芯片電極一一對(duì)應(yīng)的銦柱，互連時(shí)把探測(cè)器芯片上的電極與讀出電路上的銦柱面對(duì)面一一對(duì)準(zhǔn)，經(jīng)調(diào)平后壓焊在一起，目前通常采用重疊影像的方式來實(shí)現(xiàn)。

在探測(cè)器與讀出電路之間放置一光學(xué)對(duì)準(zhǔn)裝置，把兩芯片表面的圖像同時(shí)成像在同一個(gè)視頻監(jiān)視器上，通過預(yù)先在芯片上設(shè)計(jì)好的調(diào)平和對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記來實(shí)現(xiàn)兩芯片調(diào)平和對(duì)準(zhǔn)。從監(jiān)視器上判斷兩個(gè)芯片的凸點(diǎn)完全對(duì)準(zhǔn)以后，撤出光學(xué)對(duì)準(zhǔn)裝置，由微處理器控制精密機(jī)械系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)兩芯片的焊接。圖1、圖2和圖3顯示了完整的互連過程。

2 FC300和FC150的主要參數(shù)對(duì)比

紅外探測(cè)器芯片和硅讀出電路芯片的互連混成是生產(chǎn)紅外焦平面器件的關(guān)鍵工藝技術(shù)之一，其中倒裝焊接機(jī)是互連混成的關(guān)鍵設(shè)備。到目前為止，世界上只有少數(shù)發(fā)達(dá)國家擁有生產(chǎn)高精度倒裝焊接機(jī)的能力，國內(nèi)相關(guān)紅外探測(cè)器研制機(jī)構(gòu)和制造商都是使用法國SET公司的FC150倒裝焊。FC300是FC150的型號(hào)升級(jí)增強(qiáng)版，主要參數(shù)和功能對(duì)比如表1所示:

表1 FC300和FC150的主要參數(shù)對(duì)比

從表1中可以看出，倒裝焊接機(jī)FC300無論是在互連壓力、精度等參數(shù)，還是在新功能模塊的開發(fā)上，相比FC150的性能都有巨大提升。

3 自適應(yīng)調(diào)平系統(tǒng)(selflevelling)介紹及應(yīng)用

3.1 自適應(yīng)調(diào)平系統(tǒng)介紹

該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)從凸點(diǎn)接觸到整個(gè)互連加壓過程結(jié)束，均能進(jìn)行互連平行度自適應(yīng)調(diào)整，即可變形自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過高精度彈簧活塞(如圖4所示)來調(diào)整其自身的上下兩個(gè)金屬板來實(shí)現(xiàn)對(duì)器件和讀出電路調(diào)平時(shí)的不平行度的校正，從而真正獲得極為均勻的壓力載荷的施加。

這些活塞傾斜方向會(huì)聚于芯片表面和讀出電路表面的中心處，在進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)平校正時(shí)，活塞以會(huì)聚中心為支點(diǎn)通過其內(nèi)部彈簧的調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)平平整度的校正，由于活塞傾斜方向的會(huì)聚中心就是器件表面和讀出電路表面的中心，故而以其為支點(diǎn)進(jìn)行校正避免了在X－Y平面內(nèi)凸點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)的偏移，在互連加壓過程中獲得了極好的平行度結(jié)果并保證了對(duì)準(zhǔn)精確性。

3.2 自適應(yīng)調(diào)平系統(tǒng)的應(yīng)用(來自法國LETI實(shí)驗(yàn)室2K ×2K 互連試驗(yàn)［2］)

在2K×2K超大規(guī)模面陣器件互連工藝中，由于像元間距很小，凸點(diǎn)高度受到限制［3］，LETI實(shí)驗(yàn)室和SET共同在FC300倒裝互連系統(tǒng)中開發(fā)了“Insertion”工藝［4－5］，從圖 6 中可以看出，在沒有自適應(yīng)調(diào)平系統(tǒng)的時(shí)候，由于凸點(diǎn)接觸時(shí)不可避免的存在一定程度調(diào)平上的不平行度，而這在超大規(guī)模面陣器件的互連中可能導(dǎo)致器件一側(cè)的凸點(diǎn)互連失敗;而加入了自適應(yīng)調(diào)平系統(tǒng)后，從器件和讀出電路凸點(diǎn)接觸的一刻起直到整個(gè)互連加壓過程結(jié)束，該系統(tǒng)均能進(jìn)行互連平行度自適應(yīng)調(diào)整，從而保證了互連效果。

圖6 自適應(yīng)調(diào)平系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更好的平行度調(diào)整示意圖

4 干涉儀系統(tǒng)對(duì)超大尺寸器件的平面檢測(cè)及控制

對(duì)于超大規(guī)模面陣器件的互連工藝來說，鍵合加壓之前探測(cè)器芯片自身的平面度對(duì)于互連結(jié)果的成敗同樣是極其關(guān)鍵的。當(dāng)探測(cè)器芯片自身的形貌存在嚴(yán)重翹曲或在倒裝焊接機(jī)吸取探測(cè)器芯片時(shí)，由于探測(cè)器芯片背面可能會(huì)存在顆粒物而導(dǎo)致芯片翹曲變形，特別是當(dāng)器件面陣的規(guī)模很大時(shí)由于探測(cè)器芯片或是讀出電路芯片翹曲變形而引起的嚴(yán)重平行度失配將會(huì)導(dǎo)致器件某一側(cè)凸點(diǎn)無法接觸，產(chǎn)生大量盲元從而互連失敗。

為了檢測(cè)和避免在倒裝焊接機(jī)吸取探測(cè)器時(shí)探測(cè)器背面顆粒物的存在，并在互連調(diào)平時(shí)實(shí)現(xiàn)依據(jù)探測(cè)器和讀出電路表面形貌的觀測(cè)結(jié)果來進(jìn)行探測(cè)器和讀出電路平整度的自動(dòng)匹配，如圖7和圖8所示，新的倒裝互連系統(tǒng)采用了干涉儀檢測(cè)表面形貌并將探測(cè)器和讀出電路的表面形貌輸入到倒裝焊接機(jī)的調(diào)平系統(tǒng)并依據(jù)上下芯片的表面形貌來進(jìn)行平整度的匹配調(diào)節(jié)。

圖7 干涉儀系統(tǒng)

圖8 干涉儀監(jiān)測(cè)表面形貌示意圖

這對(duì)超大規(guī)模面陣器件的互連工藝而言，避免了以往單純依靠芯片四周調(diào)平標(biāo)記來代表芯片整個(gè)平面進(jìn)行上下兩芯片調(diào)平而忽略探測(cè)器和電路本身實(shí)際表面形貌狀態(tài)所帶來的平整度匹配上的誤差，從而在根本上實(shí)現(xiàn)了超大面陣器件互連調(diào)平平整度的優(yōu)化匹配，帶來了超大規(guī)模面陣器件互連調(diào)平方式上的巨大優(yōu)化改進(jìn)。

5 總結(jié)

隨著紅外技術(shù)的快速發(fā)展，超大規(guī)模面陣器件的混成互連成為一個(gè)難題，倒裝焊接設(shè)備FC300憑借其出色的性能以及定向研發(fā)的自適應(yīng)調(diào)平系統(tǒng)和干涉儀系統(tǒng)，為紅外探測(cè)器芯片和讀出電路芯片的混成互連提供了優(yōu)秀的平臺(tái)。

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