一种用于单粒子效应试验倒装焊器件减薄的工装及方法

摘要

本发明公开了一种用于单粒子效应试验倒装焊器件减薄的工装及方法，属于集成电路芯片减薄技术领域，所述的倒装焊器件指完成芯片倒装焊接的电路。相比于传统方法，利用本发明中的特制工装及方法，可以利用全自动圆片减薄机实现单粒子效应试验倒装焊器件的减薄，突破了行业内无专用设备的技术瓶颈问题；通过对减薄工艺方法、工艺参数的优化，提高了单粒子效应试验倒装焊器件减薄精度以及减薄成功率，避免“盲减”时，受限于操作人员经验，致使减薄精度不够以及成功率低的问题发生；利用本发明中的特制工装及方法，可高效、稳定的完成单粒子效应试验倒装焊器件的减薄，方法简单实用、易于实现，可操作性强。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于单粒子效应试验倒装焊器件减薄的工装及方法，属于集成电路芯片减薄技术领域，所述的倒装焊器件指完成芯片倒装焊接的电路。

背景技术

宇宙空间环境中存在着恶劣的辐射环境，其中的高能重离子和质子在航天器内部集成电路中产生的单粒子效应，会使集成电路出现单粒子翻转、单粒子锁定和单粒子击穿的现象，造成电路逻辑状态发生改变、功能收到干扰的问题，使整个电子系统不能在正常状态下工作，严重的可能导致灾难性事故。据统计，由单粒子效应引起的宇航电子器件故障数占总故障数的55％。

近年来，随着航天技术的高速发展，对宇航电子系统的性能和数据处理能力的要求也不断提高，同时伴随卫星向小型化、微型化和高集成化的方向发展，纳米级集成电路是宇航电子系统的必然选择。集成电路纳米工艺节点的到来加剧了单粒子效应对集成电路的影响，使得单粒子效应已经成为宇航级集成电路所面临最主要的辐射可靠性问题。

为提前对宇航级集成电路在轨风险进行评估，一般会在集成电路板级封装前，使用重离子加速器加速的各种重离子来模拟空间粒子对电路进行辐照试验。然而，对于倒装焊封装的集成电路，芯片背面向上，单粒子试验时，加速粒子只能从芯片背面入射，穿过衬底进入有源区。地面单粒子试验时，加速器可提供重离子能量和射程有限，重离子无法穿透常规厚度的宇航级倒装焊集成电路芯片，必须对封装后器件上的芯片进行减薄，最大程度的减少芯片电路层外的基体材料对重离子的阻挡。

宇航级倒装焊封装器件芯片可以分为两层，一层是具有电气性能的有源层，另一层是对电路层起保护支撑作用的衬底层。宇航级倒装焊封装器件芯片总厚度一般为775μm，有源层厚度仅在15μm之内，其余厚度均为衬底层的厚度。对于地面单粒子效应试验而言，在保证倒装焊器件芯片功能完整性的条件下，单粒子效应试验倒装焊器件厚度越接近器件芯片有源层厚度，单粒子效应试验效果越好，越能减小器件入轨后的失效风险。行业内一般要求，单粒子效应试验倒装焊器件样品芯片厚度不超过35±10μm。

目前行业内尚无适用于单粒子效应试验倒装器件减薄的专用设备，使得单粒子效应试验倒装器件高精度减薄实现的技术难度极大，且极度依赖于技术人员的操作经验。

发明内容

本发明技术解决的问题是：为克服现有技术的不足，提供一种用于单粒子效应试验倒装焊器件减薄的工装及方法，利用常规圆片减薄设备，实现对倒装焊器件芯片的高精度减薄，保证完成减薄倒装焊器件芯片的目标厚度精度、TTV以及合格率。

本发明采用的技术方案包括：

一种用于单粒子效应试验倒装焊器件减薄的工装，包括：PVC塑料板和减薄膜；

PVC塑料板的外形为圆形，PVC塑料板的中心加工有圆孔，待减薄的倒装焊器件通过减薄膜固定在圆孔内部特定位置；

所述PVC塑料板厚度不大于倒装焊基板厚度的1/2，防止电路减薄过程设备的磨轮与PVC塑料板接触。

一种用于单粒子效应试验倒装焊器件减薄的方法，包括步骤如下：

1)制备工装

PVC塑料板厚度不大于倒装焊基板厚度的1/2，PVC塑料板的平整度不大于5μm，圆孔的直径在100mm至150mm之间，圆孔的圆心与PVC塑料板的圆心位置度偏差不超过1mm；

将PVC塑料板粘贴于减薄膜上，减薄膜基材材料为聚烯烃，基材材料的厚度不小于90μm；胶层材料为丙烯酸，胶层材料的厚度不大于20μm；减薄膜具有UV解胶的特性，UV前粘性不小于6000mN/25mm，UV后粘性不大于100mN/25mm，粘贴时保证减薄膜平整无褶皱，且圆孔区域露出的减薄膜上无肉眼可见的多余物；

2)固定器件

首先，对倒装焊器件的基板一侧进行清洁，清洁后，将工装圆孔区域露出的减薄膜粘贴于倒装焊器件的基板一侧，粘贴时采用擀压的方式；粘贴位置使得倒装焊器件不覆盖圆孔的圆心，倒装焊器件边缘与圆孔圆心的最小垂矩不小于1mm，减薄膜和倒装焊器件接触面不得有任何肉眼可见的气泡；

3)优化工艺方法

第一阶段去除量设定，按照理论去除量减去相应最大累计误差确定；第二阶段去除量设定，按照多个5μm步长进行设定，每次完成进行测量，直至器件芯片厚度满足要求；其中，理论去除量等于器件芯片原始厚度与目标厚度的差值；应最大累计误差等于理论去除量与实际去除量相差绝对值的最大值；；

4)优化减薄参数

优化后减薄工艺参数包括：主轴倾斜度、主轴转速、工作台转速以及主轴进给速度；主轴倾斜度优化方式为，磨轮与倒装焊器件芯片两个边缘接触点的相对高度为0；主轴转速的取值范围为4000-4500r/min；工作台转速的取值范围为50-200r/min；主轴进给速度的取值范围为0.1-0.5μm/s；

5)进行减薄处理

开启设备手动上料模式，将倒装焊器件通过减薄膜固定在PVC塑料板上，使减薄膜面向下吸附在减薄机工作台上，开始减薄处理；完成减薄后，取出完成减薄的器件，进行UV照射解胶，将完成减薄的器件和工装分离。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1)利用本发明中的特制工装及方法，可以利用全自动圆片减薄机实现单粒子效应试验倒装焊器件的减薄，突破了行业内无专用设备的技术瓶颈问题；

2)通过对减薄工艺方法、工艺参数的优化，提高了单粒子效应试验倒装焊器件减薄精度以及减薄成功率，避免“盲减”时，受限于操作人员经验，致使减薄精度不够以及成功率低的问题发生；

3)利用本发明中的特制工装及方法，可高效、稳定的完成单粒子效应试验倒装焊器件的减薄，方法简单实用、易于实现，可操作性强。

附图说明

图1为本发明倒装焊器件与工装固定方式示意图；

图2为本发明倒装焊器件减薄工艺方法流程图；

图3为本发明倒装焊器件减薄示意图。

具体实施方式

本发明利用特制工装，如图1所示，将倒装焊器件3转化为“圆片”，使用常规圆片减薄机，通过优化减薄工艺方法和工艺参数，实现符合地面单粒子效应试验要求的倒装焊器件3芯片高精度减薄。倒装焊器件3与圆片外形、尺寸上存在较大差异，导致倒装焊器件3无法直接吸附固定与圆片减薄机工作台，必须借助辅助工装，实现倒装焊器件3向圆片的转化。圆片减薄机为圆片减薄专用设备，对圆片进行减薄时，减薄设备利用机械式测高系统对圆片厚度进行实时监控，当圆片厚度到达设定厚度时，减薄主轴停止下降，“一次性”完成减薄。而倒装焊器件3外形尺寸与圆片的差异较大，机械式测高系统无法对其厚度进行监控，利用圆片减薄设备进行倒装焊器件3减薄时，由于主轴进给累计误差的存在，采用“一次性”减薄的工艺方法减薄成功率极低，必须对减薄工艺方法进行优化。本发明通过“阶段式”减薄的方法，控制倒装焊器件3减薄成功率。所述“阶段式”减薄第一阶段去除量设定，按照理论去除量(器件芯片原始厚度与目标厚度的差值)减去相应最大累计误差(理论去除量与实际去除量相差绝对值的最大值)确定，最大程度的保证第一阶段减薄不会导致器件受损。本发明特制工装通过PVC塑料板1加工所得，PVC塑料板1外形为圆形，PVC塑料板1中心加工有圆孔2，待减薄的倒装焊器件3通过减薄膜4固定在圆孔2内部特定位置。

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细的说明。

一种用于单粒子效应试验倒装焊器件减薄的工装，包括：PVC塑料板1和减薄膜4。

PVC塑料板1的外形为圆形，PVC塑料板1的中心加工有圆孔2，待减薄的倒装焊器件3通过减薄膜4固定在圆孔2内部特定位置；

所述PVC塑料板1厚度不大于倒装焊基板厚度的1/2，防止电路减薄过程设备的磨轮与PVC塑料板1接触，影响减薄磨轮状态。

所述PVC塑料板1的TTV、平整度不大于5μm，保证工装平整且厚度均匀，减薄过程吸附稳定。

所述PVC塑料板1的直径为203mm(8inch)，为中心圆孔2的加工留出足够空间。

所述圆孔2的加工方法为低应力激光切割，减小圆孔2边缘损伤层厚度，减小加工带来的残余应力，保证工装平面度。

所述圆孔2直径的取值范围为100mm～150mm，一方面保证圆环工装强度，另一方面保证倒装焊器件3能够粘附在孔内特定位置。

所述圆孔2的圆心与PVC塑料板1圆心位置的偏差不超过1mm，保证倒装焊器件3能够粘附在孔内特定位置时的准确性。

所述减薄膜4的基材材料为聚烯烃，基材材料的厚度不小于90μm，保证减薄膜4对芯片的支撑能力；减薄膜4的胶层材料为丙烯酸，胶层材料的厚度不大于20μm，保证芯片在减薄过程的稳定性。

减薄膜4具有UV解胶的特性，UV前粘性不小于6000mN/25mm，UV后粘性不大于100mN/25mm。

所述特定位置要求为，倒装焊器件3不覆盖圆孔2圆心，倒装焊器件3边缘与圆孔2圆心的最小垂矩不小于1mm，保证倒装焊器件3能够在圆片减薄设备微锥形工作台上稳定放置。

本发明减薄工艺方法是一种通过“阶段式”减薄的方法取代常规“一次性”减薄的工艺方法。

如图2和3所示本发明一种用于单粒子效应试验倒装焊器件减薄的方法，包括步骤如下：

1)制备工装

PVC塑料板1厚度不大于倒装焊基板厚度的1/2，PVC塑料板1的TTV、平整度不大于5μm，圆孔2的直径在100mm至150mm之间，本发明实施例中PVC塑料板1的直径为203mm(8inch)，圆孔2的圆心与PVC塑料板1的圆心位置度偏差不超过1mm，圆孔2利用低应力激光切割的方式进行开孔加工；

将PVC塑料板1粘贴于减薄膜4上，减薄膜4基材材料为聚烯烃，厚度不小于90μm，保证减薄膜4对芯片的支撑能力；胶层材料为丙烯酸，厚度不大于20μm，保证芯片在减薄过程的稳定性。减薄膜4具有UV解胶的特性，UV前粘性不小于6000mN/25mm，UV后粘性不大于100mN/25mm，粘贴时保证减薄膜4平整无褶皱，且圆孔2区域露出的减薄膜4上无肉眼可见的多余物；

2)固定器件

首先，对倒装焊器件3的基板一侧进行清洁，清洁后，将工装圆孔2区域露出的减薄膜4粘贴于倒装焊器件3的基板一侧，粘贴时采用擀压的方式；粘贴位置使得倒装焊器件3不覆盖圆孔2的圆心，倒装焊器件3边缘与圆孔2圆心的最小垂矩不小于1mm，减薄膜4和倒装焊器件3接触面不得有任何肉眼可见的气泡；

3)优化工艺方法

减薄方法优化为“阶段式”减薄，第一阶段去除量设定，按照理论去除量减去相应最大累计误差确定；第二阶段去除量设定，按照多个5μm步长进行设定，每次完成进行测量，直至器件芯片厚度满足35±10μm的要求；其中，理论去除量等于器件芯片原始厚度与目标厚度的差值；应最大累计误差等于理论去除量与实际去除量相差绝对值的最大值；最大程度的保证第一阶段减薄不会导致器件受损；

4)优化减薄参数

优化后减薄工艺参数包括：主轴倾斜度、主轴转速、工作台转速以及主轴进给速度；主轴倾斜度优化方式为，磨轮与倒装焊器件3芯片两个边缘接触点的相对高度为0；保证设备磨轮和倒装焊器件3芯片的接触长度、接触面积、切入角不变，从而确保减薄TTV；主轴转速的取值范围为4000-4500r/min；设备能力允许范围内，降低单位时间去除量，减小磨削力，保证芯片减薄过程中不掉落。工作台转速的取值范围为50-200r/min；减小磨削力，保证倒装焊器件3减薄过程中不掉落；主轴进给速度的取值范围为0.1-0.5μm/s；降低单位时间去除量，减小磨削力，保证芯片减薄过程中不掉落。

5)进行减薄处理

开启设备手动上料模式，将倒装焊器件3通过减薄膜4固定在PVC塑料板1上，使减薄膜4面向下吸附在减薄机工作台上，开始减薄处理；完成减薄后，手动取出完成减薄的器件，进行UV照射解胶，将完成减薄的器件和工装分离。

实施例

一种用于单芯片减薄的工装及方法，具体步骤为：

(1)工装制备

待减薄倒装焊器件3厚度为2.8mm。

选用PVC塑料圆板的直径为203mm(8inch)，厚度为1.3mm，TTV、平整度不大于5μm。利用低应力激光切割的方式，在PVC塑料圆板中央切割一个与圆板同圆心的圆孔2，圆孔2直径120mm。

将PVC塑料板1粘贴于减薄膜4上，减薄膜4基材材料为聚烯烃，厚度90μm，保证减薄膜4对芯片的支撑能力；胶层材料为丙烯酸，厚度10μm。减薄膜4具有UV解胶的特性，UV前粘性6500mN/25mm，UV后粘性不大于250mN/25mm，粘贴时保证减薄膜4平整无褶皱，且圆孔2区域露出的减薄膜4上无肉眼可见的多余物。

(2)器件固定

在温度为20～30℃，湿度35％～45％的环境下，对倒装焊器件3基板一侧进行清洁，清洁后，将特制工装圆孔2区域露出的减薄膜4粘贴于倒装焊器件3基板一侧，粘贴时采用擀压的方式；粘贴位置方面，倒装焊器件3不覆盖圆孔2圆心，较圆孔2圆心相近一边与圆孔2圆心的距离2mm，减薄膜4和倒装焊器件3接触面不得有任何肉眼可见的起泡。

(3)工艺方法优化

本实施例中，倒装焊器件3芯片原始厚度775μm，目标厚度35μm，理论去除量为740μm，设置740μm去除量，本实施例选用设备30次减薄实际去除量最大值为765μm，最小值为705μm。

减薄方法优化为“阶段式”减薄，第一阶段去除量设定，按照理论去除量740μm(器件芯片原始厚度与目标厚度的差值)减去相应最大累计误差35μm(理论去除量与实际去除量相差绝对值的最大值)确定，为705μm；第二阶段去除量设定，按照多个5μm进行设定，每次完成进行测量，直至器件芯片厚度满足35±10μm的要求。

(4)减薄参数优化

主轴倾斜度优化方式为，磨轮与倒装焊器件3芯片两个边缘接触点的相对高度为0；主轴转速优化为4200r/min；工作台转速优化为100r/min；主轴进给速度优化为0.2μm/s。

(5)减薄

开启设备手动上料模式，将通过减薄膜4固定在一起的器件和工装，减薄膜4面向下吸附在减薄机工作台上，开始减薄。完成减薄后，手动取出完成减薄的器件，进行UV照射解胶，将完成减薄的器件和工装分离。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。