氧浓度监控在热压键合（TCB）工艺过程中的重要性

随着半导体产品高性能、轻薄化发展，封装技术作为连接芯片与外界环境的桥梁，其重要性日益凸显。在众多封装技术中，热压键合（Thermal Compression Bonding）工艺技术以其独特的优势，在高性能、高密度封装领域占据了一席之地，传统的倒装回流焊封装工艺，因其翘曲、桥接、移位等各种缺陷，逐渐被热压键合TCB所取代。本文主要跟大家分享的就是剖析热压键合技术，并探讨氧气浓度监控在TCB工艺中的重要性。

热压键合（TCB）工艺技术介绍

热压键合，英文全称：Thermal Compression Bonding，简称：TCB，它是一种先进的封装工艺技术，通过同时施加热量和压力，将芯片与基板或其他材料紧密连接在一起。这种技术能够在微观层面上实现材料间的牢固连接，为半导体器件提供稳定可靠的电气和机械连接。TCB工艺技术广泛应用于集成电路、微电子、光电子等行业，特别适用于需要高精度、高可靠性封装的高端芯片。

TCB设备的核心组件
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)。

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。

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，如下图所示。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。

焊接装置示意图

贴片头，光学相机板以及真空加热板都位于密闭的腔体内，如上图所示。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。

氧气浓度监控传感器推荐：

在TCB工艺中，氧气浓度监控是保障键合质量、提升封装可靠性的关键技术之一。为了确保键合区域的低氧环境，通常采用氮气保护，将氧气浓度控制在100ppm以下，以防止芯片氧化。

对于氧气浓度监控，奥地利SENSORE离子流氧气传感器- SO-B0-001是一款基于极限电流原理的微量氧传感器，可以在焊接设备环境中稳定运行。传感器检测范围10-1000ppm氧气，最高可以在350℃环境工作，全量程精度20ppm，通过实时监测和控制键合区域的氧气浓度，传感器可以显著提高焊接质量、稳定性和生产效率，是确保焊接过程顺利进行和最大化效益的关键步骤。广泛应用于波峰焊、回流焊、电子、半导体行业焊接炉及惰性气体烧结炉等保护气体在线氧分析。综上，氧浓度监控是TCB工艺中保障键合质量、提升封装可靠性的技术之一，其精度直接影响高性能芯片的长期稳定性‌。

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审核编辑 黄宇