继上篇文章我们对回流焊工艺的缺陷进行了分析并大致介绍了TCB工艺。（推荐阅读：英特尔先进封装之热压键合(TCB)工艺介绍）。接着我们讲讲TCB设备细节。在阅读本文之前，欢迎识别二维码申请加入半导体封装产业链微信群
TCB设备的心脏是贴片头(Bond Head)，由线性伺服马达(Linear Servo Motor)驱动空气轴承(Air Bearing)运动，如图7所示。有赖于高精度的伺服系统以及无摩擦的空气轴承导轨，垂直方向的运动精度可以控制在1um以内，从而实现锡球熔化过程下的微移动的精准控制。
贴片头配备了应力控制单元(Force Sensor)，快速升降温脉冲加热器(Pulse Heater)，还配备了一套主动倾斜控制系统(Active Tip Tilt，专利号US8387851B1)。
主动倾斜控制系统(Active Tip Tilt)可以精确调节脉冲加热器的共面度，使其与基板(Substrate)所在的加热板(Hot Pedestal)的表面完美贴合，在22mm x 33mm的区域内，可使上下两个平面共面间距不超过3um，几乎可以消除芯片翘起相关的失效。
压力传感器(Force Sensor)与压力传动方向同步，可实时监测贴片头在垂直方向运动中的应力反馈，从而得知芯片在贴片过程中的受压状态。线性伺服马达驱动可提供贴片头超过10N的贴片压力，压力伺服控制反馈系统可提供0.05N压力控制精度。
脉冲加热器(Pulse Heater)可提供每秒超过100度的升温速率，以及超过50度/秒的降温速度，这样从约400度（贴片过程中的最高温度）降到待机150度只需5秒左右。快速升温降温能力可以避免过多的热量持续加载给基板，并且显著缩短贴片所需时间。
加热单元中的组件得到充分工程优化，有良好的温度均一性，以及100度/秒的升温速率下，在22mm x 33mm区域内加热块表面的温度差异不超过10度。由此保证了芯片和基板的接触面锡球可以同步熔化。
贴片头使用的芯片吸头(Nozzle)为片状，尺寸与芯片尺寸匹配，材质为单晶，有极佳的导热性能，内有真空通道，可以将芯片牢牢吸附固定，且芯片吸头可以自动更换，可实现同一个基板贴装若干尺寸不同的芯片。
图7 焊接装置示意图（显示贴片头到焊接平台堆叠细节）
涂覆有液态助焊剂(Flux)的基板真空固定在加热板(Pedestal)上，加热板所在的平台(Bond Stage)坐落在空气轴承之上，在线性伺服马达驱动下进行无摩擦的水平移动。加热板最高可被加热到200度，在基板的贴片过程中可以精准控制基板的温度。芯片和基板通过上下同轴的高分辨率的相机系统对位(Up Looking and Down Looking Optics)，该相机系统是热控设计，可避免图像因高温畸变，如图8所示。高精度的相机，以及无摩擦气垫运动的基板平台，保证了芯片和基板的极小的水平位置偏差，22mm x 33mm的芯片的偏移可小于2.5um且满足Cpk 1.33。
贴片头，光学相机板以及真空加热板都位于密闭的腔体内，如图8所示。冷却板(Cooling Plate)将整个腔体分为上方的大的惰性气体腔(Macro Inter Chamber)和小的惰性气体腔(Micro Inert Chamber)，冷却板的正中央有一个开孔，贴片头的芯片通过此开孔与基板结合。冷却板可以防止下方大尺寸的加热板的热量传递到上方腔体，以避免影响贴片头和光学相机板的功能。芯片转移臂把芯片转运到冷却板的中央开孔处，之后贴片头向下运动将芯片吸起，芯片转移臂复位后，贴片头进一步向下运动，穿过中央开孔，将芯片贴置于基板上。上方密封腔充满了氮气(N2)，将氧气的浓度控制在100ppm以下，以防止芯片在加热过程中的氧化。同时下方密封腔也有氮气气流，氧气的浓度同样控制在100ppm以下，以保护基板在加热过程中不被氧化。
基板加热板(Pedestal)和贴片头的加热体(heater)的下表面之间的共面性是通过一对高精度的电容型传感器(Capacitive Sensors)测量的，该测量系统申请了专利（专利号：US8875979B2），如图9所示。电容传感器内置于光学相机板之上，可随着相机板以在贴片头和加热板之间水平移动。上下传感器成对同步工作，分别测量上方到贴片头的距离和下方到加热板的距离，两个距离之和为贴片头和加热板点对点的距离。随着水平方向的移动，可测量整个共面性。实际应用中，取芯片所在区域的4个角落(A,B,C,D)进行测量，用4个间距的最大差值来衡量共面度。贴片头的主动倾斜系统可将贴片头适度倾斜，使贴片头与下方加热板平行，满足微米级的共面度，这样芯片和基板之间的整体距离可以达到一致。
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本文主要参考文献为：Thermo-compression Bonding for Fine-pitch Copper-pillar Flip-chip Interconnect – Tool Features as Enablers of Unique Technology
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原文始发于微信公众号（艾邦半导体网）：先进封装之热压键合（TCB）设备细节详述
