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
会变化很大。

此时,使用非接触式加热较好。

尽管此时温度上升速度与温度均匀性不可兼顾,然而,可尽可能满足基板尺寸变化的要求而不会导致停产,这一点对合同制造商来说是明显的优点。

随着倒装芯片技术在电子工业中的应用越来越广泛并逐渐成为主流,设备制造商应该能提供柔性的非接触式加热系统。

2.3 在芯片边缘进行底部填充
通过研究填角的各种不同情况如图2所示。

即使使用了填料但焊点不好,其可靠性仍然较差;如果填料浸润了芯片侧面的大约一半,就可以得到比原来高500倍的最优值;如果芯片浸润过度,硅片和填料之间的垂直热变形就会很不匹配,使芯片和焊点上产生周期性的推力和拉力,极大地减小了可靠性。

影响可靠性的其它参数包括焊盘离芯片边缘的距离和芯片的尺寸。

距芯片边缘越远,
可靠性愈好。

图2 芯片边缘的不同填角
2.4 栅阵列和周边阵列
可以通过增大距芯片边缘的距离来提高可靠性。

这对于封装类型是选择栅阵列还是周边阵列有较大的影响。

一般,对于一个10mm 10mm 的倒装芯片,如果它贴装在FR4PCB 上,并使用E =10GPa 、C TE=25 10-6
/K 的底层填料,那么,采用栅阵列封装的可靠性是采用周边阵列封装的6倍。

如果阵列外围焊点远离芯片边缘,则焊点上几乎不会产生塑性张力,因此可获得较高的热可靠性。

3 结论
由以上的结果可知,仔细选择倒装芯片的封装设计,能够显著地增加热可靠性。

总的来说,倒装芯
片组件的热疲劳可靠性较低。

通过对倒装芯片组件
进行底部填充,热疲劳寿命可以增加至少10倍。

如果使用具有高弹性模量(即刚性的)和低热膨胀系数的填料,还可进一步优化。

通过浸润芯片的半个侧面,可以获得更好的效果。

所以,球栅阵列封装可能是下一代高管脚数芯片封装的唯一选择。

在倒装芯片互连情形下,球栅阵列封装比周边阵列封装具有更高的热疲劳寿命。

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收稿日期:2000-08-20
(上接第251页)PLC 控制下凸轮时序分配轴驱动部分执行元件和部分动力元件直接驱动执行机构相结合。

图6 基片在干燥炉中的温度变化曲线4 结束语
上述对用于片式电子元件丝印系统的设计进行了分析。

由于片式电子元件丝网印刷系统的特殊性,决定了必须结合片式元件制造工艺的特点,应不断地深化和完善系统设计的基本理论,从相关的印刷系统中获得优点,才能达到最佳化。

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收稿日期:2000-08-21
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