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试验板简化倒装芯片的底部充胶工艺 |
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| 试验板简化倒装芯片的底部充胶工艺 |
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| 作者：佚名 文章来源：网络 点击数： 更新时间：2006-11-8 |
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倒装片(flip chip)封装为小型化提供非常高水平的输入/输出(I/O)密度，这使得它对越来越多的应用具有非常的吸引力。但是，如许多工程师所知道的，为一个新的倒装芯片设计密封(encapsulation)工艺可能是一个复杂的、花成本与时间的经历。
底部充胶工艺(The Underfill Process)
几乎对所有的倒装芯片都要应用树脂底部充胶，胶中或者有填充颗粒，或者没有。其主要目的是要降低由于基板与芯片模块(die)表面之间温度膨胀系统(CTE)的不匹配所产生的应力。但是底部充胶也有其它用途，例如提高机械稳定性和增加对湿度的保护。
底部充胶的液体通常是沿着已安装的芯片模块的一边或多边滴注的，通过毛细管作用吸入到芯片与基板之间的间隙。但是流动液体的性能使得设计底部充胶工艺十分困难，因为液体性能是由相当多数量的因素决定的。
最高十个底部充胶的参数
开发一个成功的倒装芯片底部充胶工艺是敏感的，因为许多参数可以影响结果。虽然污染是底部充胶缺陷的最常见原因，但其它因素(不按特定的次序)也是重要的：
阻焊层的表面张力
阻焊层的构形(旁路孔、引脚)
芯片钝化的表面能量
I/O构造(面积排列或周围排列)与间距
芯片模块/基板间隙尺寸
滴注的精度
基板温度
底部充胶的表面张力
底部充胶的粘性
底部充胶在工艺温度下的胶凝时间
例如，填充颗粒的形状与大小是重要的。通常，如果颗粒直径大于间隙高度的六分之一，它将开始与间隙壁相互作用。树脂的粘度与温度也是重要的因素。在一些条件下，每一个填充颗粒都可获得一层树脂，有效地增加流动期间的直径，这反过来容易使颗粒相互粘结在一起形成一团，而不是保持整体均匀地分散。而且，不均匀分散的填充颗粒可造成在固化的树脂胶内不均匀的应力分布，促使焊接点的失效。最后，填充颗粒集结的地方也是空洞(void)容易形成的地方。甚至没有集结，在液体底部充胶流动到锡球周围和夹陷空气时空洞也可能形成。
可能影响底部充胶流动的另一个因素是基板表面的构形。诸如阻焊(soldermask)和未覆盖的旁路孔(via)等特征都可能造成间隙垂直尺寸的突然改变，底部充胶是通过这间隙流动的，因此流动的突然改变就可能造成空洞。
材料的声波成象(Acoustic Imaging of Materials)
一个12 mm2的密间距(fine-pitch)微控制器倒装芯片的截面扫描电子显微图(SEM, scanning electronic micrograph)，该芯片是在柏林的Fraunhöfer可靠性与微集成研究所(Fraunhöfer Institute for Reliability and Microintegration)制造和测试的。锡球的原始直径为85µm；回流之后，得到70µm的最大底部充胶间隙。可是，在阻焊与芯片模块的表面之间，间隙减少到35µm。
一个密间距微控制器倒装芯片的截面SEM显微图 注意间隙高度从70-35µm的突然变化-可能造成充胶缺陷
100MHz声波图象显示在图一微控制器倒装芯片中固化的底部充胶情况。黑色对角条纹与角落区域是填充颗粒的集结；红色特征是颗粒集结区域底部充胶中的空洞和角落附近超过600µm直径的未覆盖旁路孔。
相同倒装芯片的声波图象。产生该图的系统*的100MHz通过表示两种材料不同声学特性的界面反射，例如填充颗粒与周围树脂之间的界面，和空洞与空洞之上芯片模块表面之间的界面。非常高频的超声波通过一个扫描传感器以脉冲传送和接收。底部充胶之上的硅芯片基本上对超声波是透明的，从倒装芯片封装的较深处返回的回声只可以在特定的深度用门控制成图象。在倒装芯片的情况，该深度经常是芯片面对底部充胶的界面，但是门可以扩宽，以包括底部充胶的整个厚度，甚至基板的表面。
黑色对角条纹和黑色角落区域是填充颗粒的集结。由于流体底部充胶是眼倒装芯片的顶边与右边滴注的波阵面流动是右上到左下；对角方向的单个填充颗粒的集结指向该方向。这些集结是由填充颗粒之间的相互作用所造成的。在集结周围的区域更模糊地可见，由于减少填充颗粒的含量。
嵌入对角集结区的三个红色特征是空洞；注意在元件角落附加集结区域的空洞是对称分布的。它们标记未覆盖的旁路孔，每个大约600µm直径。在流过这些旁路孔时，液体的底部充胶夹陷着空气，形成空洞。空洞由于旁路孔所代表的间隙变化而引起，即，在这里基板突然以90°角度变化。
试验板设计(Test Board Design)
为了使倒装芯片线的创办更顺畅和成本更低，Fraunhöfer研究所设计了一块试验板，该板集中在两个特征：基板表面特征与流体底部充胶的特性。
基板表面的特征通常不仅在各种材料之间有不同的表面能量，而且高度也不同，这可能造成在底部充胶流动中难以量化的变量。由于新底部充胶材料的市场的高频变化和特征化每个工艺参数所要求的大量人力，试验板代表减少时间与成本的一种快得多(经验)的方法。该板(图三)有八种不同的基板图案，加上两个只含有阻焊材料的参考图案。为了补偿在滴注时可能的小变化，每一种图案在板上放两次。总共，该板有20个图案。如果几种底部充胶材料候选用于生产，那么每一种都可应用在试验板的所有图案上。
试验板设计。十种基板(八种变化、两个控制)以两个一组的形式出现。
在用特殊的材料底部充胶和固化之后，每一个倒装芯片用声波成象。
在固化之后，每一种图案通过声波显微成象系统成象，查找可能的缺陷，如空洞或颗粒集结。比较全部的试验板将显示哪一种底部充胶产生最好的结果，和可能建议优化工艺的变化。八种基板图案是：
增加宽度的金属化区域，模拟由于不均匀阻焊造成的间隙宽度变化。
在阻焊中增加宽度的槽，没有金属化结构，模拟大的未覆盖区域。
阻焊材料覆盖的对角线条，模拟那些将偏转液体底部充胶波阵面的情况。
在阻焊材料中的对角槽，模拟那些用于焊盘定义的情况。
金属焊盘，200µm直径，由阻焊材料覆盖，模拟覆盖的旁路孔。
金属焊盘，200µm直径，300µm阻焊开口，模拟小的开放式的旁路孔。
金属焊盘，300µm直径，由阻焊材料覆盖，模拟大的覆盖的旁路孔。
金属焊盘，300µm直径，500µm阻焊开口，模拟大的开放式的旁路孔。
为了试验，有四周锡球的10x10mm倒装芯片在Fraunhöfer研究所的自动倒装芯片线上安装。在氮气环境下，使用0.8%固体含量的免洗阻焊剂。峰值回流温度是240°C，焊锡熔化点之上的温度保持30秒钟。
十个声波图象 - 十种图案中每一个都有一个图象 - 这里使用了50%重量的填充剂含量、15 mPas的粘度和8 GPa的杨氏系统(Young's Modulus)。从填充颗粒集结的流动标记在第1、5、7、9框中可以看见。集结是另人不安的，它发生在流动的尾部附近(滴注是沿顶边)，但是集结并不严重；即它们限制在流动路线的最后第三个左右。
这十个声波图象显示一种底部充胶材料的结果。液体底部充胶是沿顶边滴注的。黑色条纹是颗粒的集结；亮点是空洞。
更重要的是在第6、8框的声学可见的白色区域。两个图案都含有未覆盖的旁路孔，并且这里，除了第6框的顶部附近一些旁路孔，每一个都造成了一个空洞。
第6框(小型开放式旁路孔)中的声波图象，来自于使用了特性稍微不同的底部充胶材料的一块试验板。结果非常类似于图四中的材料 - 几乎每一个开发式旁路孔都产生一个空洞。然后将该倒装芯片截面与抛光。
使用稍微不同的底部充胶材料的一种“小型开放式旁路孔”图案的声波图象。在每个旁路孔上几乎都形成一个空洞。
注意在旁路孔顶部的较大空洞并且 - 在旁路孔的每一边 - 有90°的构形变化。
一个倒装芯片的声波图象，来从具有增加宽度的大型金属化面积的图案。滴注只是沿顶边；流动是从顶部到底部。填充颗粒的集结较早开始并持续。
通过一个未覆盖的旁路孔和空洞的截面SEM图象，该空洞是在底部充胶流过旁路孔时形成的。
第1框(增加宽度的大型金属化面积)对相同底部充胶材料的声波图象。液体的底部充胶从左到右沿顶边滴注。这种底部充胶材料在行进芯片的三分之一距离之后开始形成集结。
与这个试验板的工作得到一些普通的观察，可应用于其它底部充胶材料与不同的芯片尺寸。未覆盖的旁路孔在相对于运动的胶出现一个方向向下的90°变化。空洞在未覆盖的旁路孔上形成，甚至在胶中未使用填充颗粒的时候也出现。一般地说，基板的构形可能是底部充胶成功的一个强有力的决定因素，在一些情况中，可以建议重新设计基板来消除突然变化的表面特征。
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| 文章录入：luoma 责任编辑：smt2006 |
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