熱壓鍵合機(jī)TC Bonder（Thermal Compression Bonding）是一種用于半導(dǎo)體封裝過程中熱壓鍵合的專用設(shè)備。在高帶寬內(nèi)存（HBM）的制造過程中，TC Bonder通過施加熱量和壓力將多個(gè)DRAM芯片堆疊在一起，實(shí)現(xiàn)芯片間的電氣連接。

根據(jù)填充材料的不同，熱壓鍵合又可以分為TC-NCF, TC-NCP, TC-CUF, TC-MUF等等。取決于基板材料的不同，熱壓鍵合又可以分為Chip-to-Substrate (C2S) ，Chip-to-Wafer (C2W)，Chip-to-Chip (C2C) 和Chip-to-Panel（C2P）。

以常見的TC-CUF熱壓鍵合為例，整個(gè)芯片鍵合過程通常在1-5秒，熱壓鍵合機(jī)（TC Bonder）的具體步驟流程如下：

（1）將基板真空吸附到非常平整的pedestal上，并通常加熱到150oC到 200oC。將基板的溫度設(shè)定盡可能的高來減少鍵合時(shí)間。

（2）在基板的C4區(qū)域噴涂上足量的助焊劑 。

（3）將邦頭加熱到150oC到200oC之間，并用邦頭去拾取芯片。

（4）用上視和下視相機(jī)來確定芯片和基板的相對(duì)位置，通過校準(zhǔn)過的算法算出芯片所需的空間位置調(diào)整來完全對(duì)照基板的凸點(diǎn)，通過設(shè)備上精密的機(jī)械控制來完成這個(gè)步驟。

（5）然后將邦頭連帶吸附的芯片一起以亞微米的精度靠近基板。此時(shí)芯片和基板都處在錫球融化溫度以下，所以錫球都是固體。錫球可以是在基板上也可以在芯片上或者兩者都有。

（6）在下降過程中邦頭一直處在壓力敏感控制，既進(jìn)行著非常靈敏且實(shí)時(shí)的力測(cè)量。

（7）當(dāng)芯片和基板接觸的那瞬間，系統(tǒng)探測(cè)到一個(gè)壓力上的變化，從而判斷接觸發(fā)生同時(shí)迅速將邦頭從壓力敏感控制轉(zhuǎn)為壓力和位置共同控制。

（8）此時(shí)通過邦頭上的加熱裝置迅速將芯片加熱至300oC以上。值得指出的是熱壓鍵合的溫度變化率一般都是在100 oC/s。相比之下，回流焊鍵合的溫度變化率要低很多，通常在2 oC/s。

（9）當(dāng)錫球處于熔融狀態(tài)時(shí)，通過邦頭對(duì)芯片的精確位置控制來確保每對(duì)凸點(diǎn)都鍵合上，且將芯片間隙高度控制在合理的范圍內(nèi)。值得指出的是，在加熱的過程中，真?zhèn)€系統(tǒng)都會(huì)熱膨脹，這部分的膨脹需要邦頭位置的精確控制來抵消。

（10）將邦頭的溫度迅速冷卻至錫球熔點(diǎn)以下，使得錫球變?yōu)楣滔唷Ｍǔ＠鋮s溫度變化率要比加熱溫度變化率要低一些，通常在?50 °C/s。

（11）關(guān)閉邦頭對(duì)芯片的真空吸附，芯片跟邦頭分離。芯片鍵合在基板上移出熱壓鍵合設(shè)備，鍵合完成。

整個(gè)熱壓鍵合過程中，熱壓鍵合機(jī)會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)邦頭的溫度(Temperature)，邦頭的應(yīng)力( Bond Force)和Z方向的位移 (Bond Head Z Postion)。要求鍵合設(shè)備擁有亞微米甚至納米級(jí)別的位置對(duì)準(zhǔn)精度，確保待鍵合芯片在高溫壓合時(shí)能精準(zhǔn)對(duì)接。需要精準(zhǔn)控制鍵合溫度、壓力和時(shí)間，以確保形成理想的金屬間化合物層，同時(shí)避免過度擴(kuò)散導(dǎo)致的鍵合失效或電性能劣化。

熱壓鍵合機(jī)（TC Bonder）是HBM制程的核心設(shè)備，隨著人工智能（AI）和高性能計(jì)算（HPC）的需求增長(zhǎng)，對(duì)HBM的需求供不應(yīng)求，熱壓鍵合機(jī)（TC Bonder）的需求也將保持高增長(zhǎng)趨勢(shì)，但，目前熱壓鍵合機(jī)基本被國(guó)外廠商所壟斷，國(guó)產(chǎn)替代任重而道遠(yuǎn)。

目前國(guó)產(chǎn)設(shè)備商積極布局該領(lǐng)域，例如普萊信的Loong系列熱壓鍵合機(jī)，擁有LoongWS和LoongF兩種機(jī)型，貼裝精度達(dá)到±1μm@3σ，其中LoongWS可以支持TC-NCF、MR-MUF等HBM堆疊鍵合工藝，LoongF支持FluxlessTCB無助焊劑熱壓鍵合工藝，適用于下一代HBM芯片。隨著中國(guó)半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步和普萊信Loong系列TCB設(shè)備的推出和量產(chǎn)，國(guó)產(chǎn)廠商在HBM的研發(fā)和制造上，將在不遠(yuǎn)的將來迎來爆發(fā)點(diǎn)。

審核編輯 黃宇