倒装芯片底部填充工艺

倒装芯片底部填充工艺

梁凤梅

(太原理工大学,山西 太原 030024)

摘 要:从热疲劳故障的角度论述了倒装芯片底部填充的必要性,介绍了倒装芯片底部填充的

参数控制。通过正确的底部填充,可提高倒装芯片组装的成品率和可靠性。

关键词:倒装片;可靠性;生产辅料

中图分类号:TN 4 文献标识码:A 文章编号:1001-3474(2000)06-0252-03

Flip Chip Underfill Technology

LIANG Feng -mei

(Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China)

Abstract:Discuss the necessary of flip chip underfill to thermal fatigue failures.Put forward controlling parameter for flip chip underfill.Then show that correct underfill can dramatically increase thermal reliability.

key words:Flip chip;Reliability;Manufacture subsidiary

Document Code:A Article ID:1001-3474(2000)06-0252-03

尽管有一些成熟的工艺适用于PCB 的芯片贴装,但倒装片(FC)技术是最独特的。倒装片是一种直接芯片贴装(DC A)技术。先在芯片底部制作出很小的焊接用凸起阵列,然后将芯片倒转装在基板上。随着芯片尺寸的增加,以及在倒装片贴装中采用非陶瓷新型材料作为基底,沿用了20年的传统技术面临着新的挑战。倒装片工艺的关键问题之一是由于热膨胀系数(TCE)不同而引起的芯片与基板之间的应力,为了消除这一应力,下填充工艺被应用于基板与芯片之间。

1 倒装片底部填充的必要性

1.1 热疲劳故障

通过在芯片和基板之间的空隙中填充环氧树脂材料,可以获得较高的可靠性。如果不采用这种底部填充方法,失效率达50%时的热循环次数甚至会低于200次。若精心选择底部填充材料,就有可能将热疲劳可靠性提高10倍以上。对底部填充材料和空隙形状的深入了解,还可使性能进一步提高。

在采用底部填充材料和不采用底部填充材料的情况下,分别完成倒装芯片的组装。为一个厚0.6mm 、面积为10mm 2的芯片建立一个二维有限元分析模型。该芯片是贴装在一个1.2mm 厚的FR4PCB 上的倒装芯片。这一测试得出了文中的结论。1.2 非底部填充组装

这种情况下,焊点的剪切变形处于支配地位,这是由芯片和基板之间位移差造成的。预期的失效率达50%时的热循环(-55 到125 )次数较低,为200次。在模型中,增加芯片的尺寸将使热疲劳寿命以对数率降低。此外,降低焊点高度也将使50%失效率时的热循环次数以相同的方式减小。另一方面,可以通过将焊点变凹的方法,使热循环次数提高到600次。

硅片和基板材料之间热膨胀系数(C TE)的差别也决定了剪切变形的程度。所以,正确选择基板材料非常重要。研究人员发现,使用C TE 值为5.6 10-6/K 的氧化铝作为基板材料,其失效率达50%

作者简介:梁凤梅(1969-),女,毕业于西安交通大学,硕士,现为太原理工大学信息工程学院讲师。

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第21卷第6期

2000年11月

时的热循环次数为600次,是C TE 值为15 10-6/K 的FR4的4倍。

1.3 底部填充的倒装芯片

对芯片和基板之间的空隙进行底部填充可增加可靠性。焊点的塑性变形非常复杂。在温度!变形分析模型中,底部填充倒装芯片组件像一个由三种材料形成的结构。选择匹配性能好的底部填充材料是重要的一环。它由CTE 和杨氏弹性模量E 决定。

通常,底部填充倒装片组装结构有三种不同的塑性应变模式:第一种是剪切的塑性应变,由于芯片与基板之间水平位移不匹配所致;第二种是水平的正常塑性应变,由于底部填充材料中固有的水平应变所致;第三种是垂直的正常塑性应变,由于与底部填充垂直变形不匹配所致。

根据模型计算的结果,得出下面的结论:两个材料参数C TE 和E,对倒装芯片组件的热疲劳可靠性都有较大的影响。底部填充材料的韧性愈大,热疲劳寿命愈长。此外,存在一个依赖于弹性韧性的最优热膨胀系数(底部填充材料的E 值和C TE 值之间具有相关性:两个参数的乘积是常数,为0.25MPa/K)。

与非底部填充倒装芯片组装相比,如果底部填充材料的弹性模量大于10GPa,C TE ∀25 10-6/K,其失效率达50%时的热循环次数可达15000次。通过检验不同的基板材料,如Al 2O 3、聚合物和硅。在所有情形下,底部填充均能增加对热疲劳的抵抗性。

2 倒装片底部填充工艺

2.1 温度控制

在先进的倒装芯片组装中,多数底部填充材料被设计为具有最佳流动性、最小热膨胀系数。目前的固化时间约30min 。由于底部填充材料粘度较低,以便于流入芯片的下方,因此贮存温度最好恒定在30 。当机器内部温度高于30 时,应对阀体、容器及注射器进行冷却。底部填充材料的流动与成型不仅受其自身温度的影响,同时还受到基板材料与芯片的温度影响。

将底部填充材料填充于基底时,基板表面和芯片的温度必须为70~90 ,这样会从芯片下方和基板表面产生向上的气流。这种表面的排气可减少在芯片底部产生填充气泡,避免在长期使用中失效,同

时可确保填充材料在芯片下方的精确流动。温度的

不同或不均会导致非线性流动,从而形成气泡。因此必须采用闭环系统对基板温度进行控制,对于非接触式系统,温控精度应至少为#5 ;而对于在基板下采用加热真空夹盘的接触式系统则应为#2 。在进入填充区时,基板应预加热以达到所要求的温度,因此还必须增加一个预热阶段。在填充阶段,另外一个加热装置用于保持基板与芯片的温度。在第三阶段(这是一个根据具体情况而选择的阶段),在进入固化炉前协助填充材料正确流动或略微的凝固。

利用旋转阀技术旋转正向位移阀可进行精确度高、重复性好的底部填充。

预备步骤是为了使针头尽量接近芯片边缘,防止对芯片周边造成污染。同时还需让针头正好略低于芯片的下表面,以确保填充足够的填充剂。只要针头足够接近芯片的边缘且高度合适,沿芯片边缘所填充的填充剂便会快速均匀地流入底面如图1所示。

图1 底部填充前针头的定位

2.2 接触式与非接触式加热系统

接触式与非接触式加热系统的选择十分简单,只需通过选择柔性的加工方式或专用的加工方式即可。对于挠性基板,只能选择接触式加热装置,该装置采用真空加热夹盘,在预热、保温和回流三个阶段对挠性基板进行底部加热。在采用AUER 托板或其它专用传输工具以及引线框的场合,接触式加热系统也是最好的方法。接触式加热温度分布比较均匀。例如,倒装芯片可能有多种尺寸,从3mm 2至12mm 2甚至20m m 2。如果采用专用工具,用一套工具即可对所有的元件进行处理。接触式加热的唯一缺点是柔性差,但由于其升温速度快、温度均匀,因此用10min 来变换生产工具也就微不足道了。在用标准的FR4PCB 作为基板时,例如专业从事倒装芯片底部填充生产车间,其加工的板子尺寸

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2000年11月 梁凤梅:倒装芯片底部填充工艺