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倒装芯片结构中不流动底部填充胶(underfill)工艺参数

发布时间: 2012-09-19 22:30 作者: 浏览次数: 3135 Views 字号:

倒装芯片的传统装配方法是在芯片贴装前把液态的焊剂涂在衬底上,或者把凸块浸在焊膏的液态薄膜中。然后对装配件进行回流,并且把适当的密封剂填充到硅片下面。但是,当毛细作用力在圆片和衬底之间产生拖曳力时,免清洗溶剂残渣会损坏密封剂的湿度和流动性,对封装可靠性造成负面影响。而密封剂同样需要后固化,这样会就会使产量下降。

在贴装圆片前,预淀积一种不流动的化合溶剂和填充剂不仅可以消除免清洗焊剂中的残渣所带来的可靠性问题,同时还可以通过减少或消除密封剂的后固化时间而提高产量。尽管在热循环测试中它们的性能还是低于传统的有毛细管的流动底部填料,但是由于典型的不流动底部填充剂和锡连接之间的热膨胀系数有更高的不匹配性,销售商正在做快速改进。当前提供的产品已经比2001年广泛使用的传统底部填充剂的性能好很多了。

然而,为了得到可靠的不流动底部填充剂工艺,必须先解决几个问题——底部填充剂的配置,芯片的贴装以及装配回流:

涂布填充剂时必须充分覆盖电连接区域,不要在底部填充剂中形成过多的气泡。

芯片贴装的力度必须足够大,这样才能把底部填充剂挤出来,形成锡球与基板的连接。

必须优化回流方案,在开始固化底部填料前就回流锡球,同时不要把底部填料暴露在过高的温度下。

环球仪器公司的SMT实验室用从许多家著名销售商那里得到的不流动底部填充剂来建立一系列倒装芯片装配方法,从中检测流程问题并且提出最佳的参数。装配是交叉分段的,用X射线显微镜分析了焊锡和突起问题,用声学扫描显微镜分析了芯片以及衬底中的气泡和分层问题。

•涂料 涂料时必须形成独立的焊料团,使其具有恰当的体积以及形状而使得所有的凸块能够在回流时能被熔化,在这之后形成合适的焊条。气泡要尽可能的少,并且体积要尽量的小。当设计涂料流程时,首先应该注意根据密封剂的黏度来优化设置,这包括涂料喷管口和板子之间的距离。如果喷管不够干净会阻止材料从喷管出来,使板子上涂到的密封剂比预期体积小,这个问题对于高黏度的焊料将更为突出。另一个由黏度带来的问题就是当喷针收回时粘稠的液体可能形成尾巴,所以在尾部断掉前移去针会在板子的其他地方涂上一串密封剂。为了避免这种情况,对于黏性材料,收针的距离应该长一些而且回收速度必须慢一些,不过这将增加涂料时间。

最简单的涂布方法就是在中心处滴一滴。因为涂料头不移动,所以采用更高的流速可以提高涂料的速度,并且可以使针尖和基板之间保持相对大的距离。针尖只需要在这流程最后收回即可。但是这种方法易使装配件中产生气泡,并且不能用于大圆片,因为焊料无法到达边缘处的凸块。

当然可以设计其他方法,例如“区域填充”法。这种方式可能会需要涂料头走过一条较长的路径,但是会得到更好的涂布效果。涂料头同样只需要在最后抬起来即可。用其他方法——如交叉法,“X”形法,或者星状涂布法,总路径可以更短,但是当使用在喷嘴收回时易于形成尾巴的焊料时,所能节省时间就要打一个折扣了,因为它们的收针速度必须变减慢。

但是区域填充法不能用于大圆片,因为材料容易涂的太薄并且收缩成更加紧密的形态。薄膜甚至可能破碎成小片,结果造成更大的气泡。

其他的方法同样可能形成大的气泡。图1就显示了一个500 mil(14毫米)suqare的硅片中的气泡。这种涂布方式结合了小区域填充法和交叉法,最后使X的臂部一直延伸到圆片的边沿处。这种方法产生了几种没有气泡的组装件,但某些情况下薄膜会破裂而形成很大的气泡。另一方面,当一团单独焊料被涂布到靠近中心的位置时,即使用量再多,也无法达到到边缘处的凸块,因此也就不能很好的焊接。

•贴装

当硅片被贴装到基板上时,最先和其中心区域附近下方的密封剂连接。随着硅片向下移动,下面的焊剂液体将被挤出去。随着焊剂的移动,当焊剂填充焊锡掩模空隙时将渡过或穿过焊锡凸块,印制线路板(PCB)印记以及其他一些表面物体。这一过程或多或少将沿着顺流的方向产生一些气泡,特别是在凸块背向焊剂流动的方向。

图2 显示了凸块附近的气泡;这是一张硅片放在光滑玻璃平面上的俯视图。这些颗粒状的表面图像是由密封装剂中的固体颗粒引起的,它们要在更高的温度下才能熔解。位于中心凸块附近的气泡(呈三角形分布)和凸块本身的尺寸相当;其大小可以用周围凸块的线长来估算,大约等于10mil(0.254mm)。周围的凸块边缘有类似相互分离的气泡,我们能看到它们从圆角中上升(图片上比较模糊);还可以看到左边较低边沿的一个边角凸块处的气泡一半在圆片上而另一半在外面。大多数分离气泡的后面都有一个更小的气泡,靠近各自的凸块。这种情况是每一个装贴件中的典型现象,无法避免。不过,器件制造商们也许能通过减小硅片面积和基板表面图形的不规则性来抑制这些气泡。

一旦焊料到达圆片的边缘,就会打湿这一侧并且慢慢爬行延伸形成圆角。在此期间,硅片必须固定好,因为它容易跟随流动的液体漂移,造成后面硅片贴装错误。

密封剂的黏度是决定圆片固定时间的主要因素。拍摄的焊料打湿圆片一侧的过程表明焊料停止明显移动需要的时间大约在0.1秒~大于1秒之间变化,视不同的密封剂而定。

硅片不但要在贴装头撤回以前固定一定时间,而且在固定期间必须用一定力度将其往下压,把密封剂挤出来,使密封剂充满硅片下所有的空间。特别的,当遇到个别暴露的底垫时,密封剂必须流经每个凸块和底垫形成的侧墙之间的狭窄空间,只给凸块留下空间。并且,即使暴露底垫已被流经沟槽的密封剂所取代(这些沟槽使密封剂能更自由的移动),还是必须施加适当的贴装力。

压力的另一个作用就是把衬底上的凸块压到基板上并且部分的铸造它们。这可以使很多凸块能在回流前尽量靠紧它们的底垫,同时有助于在使用不流动密封剂时避免电学开路。当回流一个传统焊接器件时,由于没有底部填充剂阻止硅片断裂,表面张力会将硅片向下拉,从而释放足够的力使最初几个凸块熔化并且打湿底垫。最终这使所有的凸块和衬垫连接起来从而确保了这一部分的电连接。

与之相反,密封剂的回流阻挡了硅片的下移。如果密封剂已经开始聚合,这种阻挡效果更加强烈,因为聚合作用将会使材料稍微变厚一些。因此,施加足够的贴装力使尽量多的凸块靠近相应的衬垫以克服密封剂的阻挡作用很重要。

密封剂还可以阻挡芯片横向运动,即使是程度小一些,也会减小器件在回流过程中的自适应效应。这意味着使用回流密封剂时精确贴装也非常重要。

为确保电连续性所需的力随着密封剂的黏度而变化,更高黏度的液体就需要更强的力。例如,使用最黏的焊料装贴一个有88个凸块的硅时,800G的装贴力能产生稳定的优良效果。但当装配两个开路芯片时,贴装力就减到了500g。另一方面,过大的贴装力不仅有损坏硅片的危险还会引起基板弯曲,力释放后基板又将弹回。这样铸造到表面的一定数目的凸块可能已不再存在,同时还有可能甚至引起硅片与基板间的相对移动。

回流 因为几个工艺同时进行,回流被认为是回流密封剂优化中最复杂的流程。并且焊料和基板各自的要求有些冲突。例如,回流时焊料必须保持为液态,才能避免结核并且不会使硅片断裂。然而板子从回流炉中出来时必须进行固化,即使不能完全也要充分的加以修复。有一些焊料对回流条件的变化相当敏感,如果温度很快变得很高将会导致开路,如果加热速率太高问题会更严重。

几种被测试的密封剂或多或少需要运用传统的SMT法(图 3,曲线标注为“标准的”)。如果其它表面贴装器件同时被贴装,这样做有很大好处。另外,由于这些焊料开始聚合很慢,被认为对回流条件的变化最不敏感。不过,所有这些材料都需要在回流后进行后固化,一般需要30到40分钟,有时时间更长。

 

在另一种极端情况下,一些密封剂和传统回流的浸泡阶段不兼容。然而,在稳步过渡到回流条件后,在相对低的温度下放几分钟,焊料能达到最佳效果。后烘阶段使这一方法看起来像是传统SMT法的镜像(图 3,曲线标注为“标准的”)。这些材料不需要后固化——因为后固化已经被移到了回流炉中进行。

 

介于两种极端情况之间的整个范围被称为“中间态”(这个范围在了图3中作了描述)。它们浸泡阶段很短的或者完全没有(有时候浸泡是在比通常情况更低的温度下进行的),在回流炉中没有后固化阶段。它们中的有些焊料需要进行不同时间的后固化,而另一些则在回流中设计了足够的后固化时间。

 

剩下的两组焊料开始固化得更快,因此对回流轮廓的变化更加敏感。图4显示了材料很早就开始凝聚的一种情况,从而阻止了这一凸块打湿它的衬垫。但是从凸块的形状可以清楚的知道,其它的焊块已经断裂了,并且熔化的锡被压进了底垫试图形成连接。我们还可以看到一层焊料膜把凸块从底垫上分割开来了。有时候,焊料形成的连接形状不规则(如图5),表明密封剂在锡还是液态时就已经开始凝聚了。

 

没有后固化的焊料的一个问题是,精确工艺条件对固化程度的影响。既然在断裂前和装配冷却(甚至在出炉之前)之间短暂的间隔内,必须对焊料进行完全的固化,冷却速率的微小变化都可能会大大影响固化程度。这一效应在装配件完成回流时将变得难以辨识,但在这之后会影响可靠性——没有充分固化的材料会降低质量。使用相似的回流条件而需要后固化的密封剂受冷却速率的影响会小得多。

 

气泡在回流的过程中既可以产生也可以消失。当锡连接断裂时,焊料进一步被挤压出来,易于使气泡仍然停留在凸块周围的后部。一旦这些气泡到达圆角,由于焊料仍然完全是液体的,气泡就可以跑到液体材料的表面或者溶解在其中。因此,圆角能产生无气泡的回流。另一方面,在圆片下面或在中心凸块附近的气泡在破裂的过程中不太可能到达圆角处。它们消失的唯一途径就是溶解到液态密封剂中,事实上我们也的确通过玻璃板观察到气泡溶解到一滴密封剂中。气泡的溶解得益于初生成的小气泡以及温度的升高,但是随着焊料变厚以及由于焊料凝聚产生的水分或者基板中的水分扩撒到仍然存在的气泡中,气泡的溶解就变慢了。

 

这个行为显示了传统回流的另一个优点。高温下相对长时间的浸泡为气泡的溶解提供了理想的条件。最后需要强调的是要确保板子足够干燥。否则,即使在前面的回流循环过程中所有汇集的的气泡都已经溶解掉了,还是会形成新的气泡。

 

•结论

 

使用适当的板子,优化的涂布过程,贴装过程以及回流条件,用没有过多气泡的回流密封剂有可能实现100%的电连接。这将会降低任何一种底部填充剂的效力。某些焊料只能忍受很窄的工艺范围,而另一些却不那么敏感。

 

随着我们对装配参数的了解,在其限度内继续改进材料技术,特别是热系数匹配材料、回流密封剂,在很多情况下可以取代传统的有毛细管的底部填充剂,简化装配流程并且节省成本。

 

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