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實現成功CSP和倒裝芯片底部填充工藝需考慮的問題
2010-06-08
Steven J. Adamson  人們對芯片尺寸封裝(CSP)和倒裝芯片器件的底部填充的需求已經有所認識,特別是在便攜式電子產品中的應用。使用液體粘結材料的技術是製造工程師願意採納的一種替代操作方法—他們期望材料加工步驟最少,同時提高生產量。底部填充的方法有很多,但是,縱觀各方面因素,發現這些方法都是以犧牲可靠性作代價或者是工藝效率低。 本文論述了常用底部填充材料的選擇和材料應用方法。此外,本文還論述了在底部填充操作中採用不同的方法對生產能力和板設計的影響。

  

 

  
  對於如何改善底部填充工藝的問題已有許多解決方案,如像:非流動性材料和四角點定位。有許多文獻對非流動性底部填充材料進行了報導,不過,這種材料還有待得到業界的廣泛認可。顯然,在明確問題階段有一些因素還沒有考慮到其中。同時,應用長壽命液體和自動化噴塗設備可以使傳統上的毛細管底部填充材料的噴塗技術不斷得到改善,而不需要操作員花費幾天時間介入生產。作為開發出的一種新技術,需要對問題進行全面的瞭解,等於和必須對這種技術進行連續評估,以防開發出的解決方案不能得到推廣應用。然而,目前市場上的供應商並不贊成,這也是導致已明確問題的闡述出現意外變化的緣故。那麼,底部填充技術的現狀如何呢?

 


封裝類型定義


  術語BGA,用於描述不同陣列封裝類型。在本文中,BGA用於較傳統的理念,指的是焊料球尺寸為760micro的35mm或更大的器件。CSP指的是250micro焊料球的器件,且在芯片和焊料球之間有夾層。通常,CSP的總封裝尺寸比硅芯片尺寸小1.2倍。CSP隨堆芯片技術的發展有所演變,使板面積實現了極高的利用率。曾經也被視為最終的封裝解決方案的倒裝芯片,是裸硅器件,沒有外部封裝,陣列焊料凸點以50-75mic的範圍佈局,用作板或基板的連接。(見圖1)。

 

  

 

圖1

 


底部填充解決了什麼問題?


  倒裝芯片的焊料凸點極小,最具代表性的焊料球高度為75mic。如果不對焊點進行底部填充的話,熱膨脹力就會穿透這些焊接點。硅的熱膨脹係數(CTE)為4ppm/℃,焊料的是21ppm,PCB的是17ppm(見圖2)。焊料凸點的最大中心距(DNP)最易受失效的影響。底部填充會使應力分散,因此,可以改善可靠性。

 

 

圖2

 


  樹脂原料或環氧樹脂的CTE大約在70ppm,對於倒裝芯片應用而言,這個數據太高。添加像二氧化硅這樣的粒子填料可以有效降低熱膨脹係數。底部填充樹脂通常含有70%比重的填料,這樣就可使CTE降低到大約30ppm,其主要用作為倒裝芯片的底部填充材料。填加粒子填料於樹脂中以控制CTE,因此而提高了底部填充液體的成本。此外,填料含量越高,芯片下面液體流動的速度就越慢,因此,底部填充工藝花費的時間就越長。

 


  通常,芯片尺寸封裝的焊料球或焊料凸點的高度為250mic。等式1說明當不施加底部填充材料時,焊料球高度對應力等級的影響,焊點孔徑比的加倍將使焊料凸點上的應力減半。

 

 


  在多數應用中,經底部填充的CSP都是用於便攜式產品中,其都是由電池供電,因此,設備中的部件不存在承受高溫的問題。採用了CSP的便攜式設備被退回的主要原因是由於突發的機械衝擊,跌落在硬表面上所致。因此,低的CTE值並不像用於CSP底部填充材料的良好粘附那樣重要。元件粘附於板子,且機械衝擊應力的再次擴散都是這種類型組裝件的問題。少量添加CSP底部填充液體,或者是不添加填料。填充材料沒有粘性,所以,封裝基底和板子之間有很大粘度。含有少量填料或不含填料,液體流動要快得多,CSP底部填充的速度在幾秒鐘內就可以完成。當今,大多數CSP全部是底部填充的,然而,幾家公司僅在器件的四個角上定點塗覆材料的方法進行了實驗。

 


  如前所述,CSP在芯片和底部填充材料之間有夾層。這樣在選擇填料和樹脂的潔淨度時就有了靈活性。在施加填料過程中,樹脂就會接觸芯片表面,規定環氧樹脂中氯化物的含量和其他可萃取的腐蝕性雜質應低於10ppm。

 


  採用CSP底部填充材料,放寬的40ppm技術規格是適用的,因此,提取的樹脂材料也就少一些兒。
採用底部填充應選擇什麼樣的工藝?

 


毛細管底部填充


  毛細管底部填充可能是大家最熟悉的底部填充工藝,其在“包封和底部填充工程師手冊”中有論述[1]。可將這種方法用於倒裝芯片和CSP的底部填充。現代的噴塗設備柔性很高,並能夠為產品的轉換實現快速改裝。然而,這種技術通常一次只能完成一個器件,其在生產量上受到限制。顧名思義,毛細管底部填充依賴的是液體與封裝/板上元件之間的毛細管力作為流動速度。

 


  焊料掩膜或封裝基板表面和無源元件可以幫助提高流動速度或者是降低流動速度。如果在前一次的再流焊接過程中有助焊劑殘留物的話,就會阻礙底部填充材料的流動。對於小間隙(類似微處理機芯片)的極大芯片(25mm2)而言,對芯片進行三個週期的底部填充噴塗工藝來限制填角/潤濕區域的板上液體量是很尋常的事了。採用二個週期的底部填充將一滴底部填充材料滴在芯片旁邊,而第三個週期的塗覆則起到密封的作用。由於液體的流動可以控制底部填充的速度,小板與硅芯片間縫隙小的倒裝芯片上施加液體量大,液體流動時間就會達到30秒。因此,對於大型芯片的底部填充,每個芯片所花費的時間超過一分鐘。這種單一的方法不能形成一個完整的形狀。而噴塗一個芯片實際花費的時間常常是每次噴塗不足半分鐘。

 


  對於大型倒裝芯片,均衡噴塗設備的工作量是很重要的,所以,噴頭就不需等待流出,這樣就會達到較高的產量。對於長時間的液體流出底部填充操作,最好是在一次操作中能處理較多的元件。通過將較多的元件置於噴塗設備中的運載工具或更多的通道中就可以實現這一目的。多通道的噴塗設備可以明顯地改善大型芯片的產量,而其他任何操作都不會使產量收縮。

 


  圖3和圖4所示是在一次操作中的不同元件數量對比的產量。每個圖標繪有三條線(P1、P2和P3),代表每小時的元件數量(產量UPH)相對於噴塗設備的工作面積中的元件數量,表示為1、2和3這三次的底部填充噴塗。

 


  這兩張圖是尺寸相同的25mm2倒裝芯片,假設基板和芯片之間的間隙為75mic,1000個焊料凸點,直徑為75mic。根據這些數據,計算出需要100mg的底部填充材料。在這兩種情況下,假設液體流出的噴塗間隔時間需30秒。

 


  圖3所示是真空管控制的效果,在這種情況下,設置的最大流動速率為10mg/sec。在工作間中某一段的5和10個元件之間速度是極快的,這可能是最有效的元件數量。對於較多元件的情況,泵跟不上所需的液體量。在這種情況下,每小時產量稍多於300。

 

 

 

圖3

 


  在圖4中,泵的流動速率提高到100 mg/sec。現在,總的UPH每小時接近1600個元件,一次底部填充操作的理想元件數量已從5增加到25個元件,而三次底部填充操作就會增加到100個元件。

 

 

 

圖4

 


  在幾個芯片模組的情況下,可以對不同尺寸的芯片進行底部填充。較小的芯片不能夠像大型芯片那樣快速吸收芯片下面的液體,所以,必須降低施加液體的速度。常常小的芯片都是以10mg/s速率進行底部填充。如果噴塗設備只能以一種流動速率進行噴塗的話,那麼,較大芯片的操作速度就會降到與小芯片一樣的操作速度。因此,整個底部填充操作就會降速,UPH自然下降。在這種情況下,具有一台多種流動速率的設備是很重要的。這樣的設備是可以編程的,使得每個芯片能夠以毛細管力這樣的速率使液體從噴塗填角移動,從而得到液體。

 


  CSP通常為7-12mm2,且在待底部填充的表面之間有較大間隙。通常,這些僅要求一次底部填充,添加少許液體或者是不施加液體。其主要應用於蜂窩式電話的PCB上的CSP的底部填充,這種PCB上有四個電話機面板。每個電話機有三個或四個CSP,一般來說,每個線上的脈衝速率大約為25sec,12-16電話機的底部填充採用的就是這一速率。由於這個結果,噴塗設備必須尋找這16個器件,對元件和板子歪斜進行校正,辨別高度,並以一秒鐘噴塗一個元件的速度對所有的元件進行噴塗。還有一個小問題就是RF遮罩下的CSP(見圖5所示)。底部填充材料是通過幾個遮罩的小孔注入的,當然所花費的時間不止半分鐘。

 

 

 

圖5

 


非流動底部填充


  非流動底部填充促使底部填充工藝的加速,減少了生產線上所配備的爐子數量。實際上,它是使用一種化學工藝實現了幾種操作。在一個點上,非流動性材料起到了助焊劑的作用,通過再流焊接升溫工藝步驟,使其轉換成底部填充樹脂材料。Gamota和Melton在其論文中論述了這種工藝,並給出了非流動底部填充材料和毛細管底部填充材料的相對成本模式[2]。非流動底部填充技術的支持者建議在基板上採用絲網印刷工藝,這種技術要比噴塗技術速度快。不過,在多數情況下,基板表面上已有了潤濕的焊膏,這樣就很難使用絲網印刷工藝了。使用標準噴塗設備或濺射塗覆方法施加非流動材料。如圖6所示,濺射噴塗是一種快速、不接觸的方法,不過,點尺寸受到限制,這種方法適用於較小的芯片,即要求液體量少於10mg。

 

 

 

圖6

 


  使用非流動性材料的步驟是往基板上施加液體,通過液體貼裝元件。根據元件尺寸和焊盤佈局,有必要將元件置於液體中,避免元件浮在液體的表面。在片刻間將元件置於液體中,液體將潤濕元件的邊緣,消除元件漂浮/蹦跳現象。如果需要下壓元件於液體中的話,就會降低元件貼裝速度。貼裝後,將基板送入再流爐,通過焊料的潤濕力使得所有的焊料凸點和焊盤對位。在毛細管底部填充工藝中,貼裝對位可能會出現50%的偏移,且仍會將元件拉回與焊盤對位。非流動性底部填充工藝要求貼裝更為精確,因為液體在進入爐中時會增厚。

 


  非流動性材料是不含任何粒子填料的,以改善樹脂的CTE,70ppm的CTE值是常用值。所以,在此建議非流動性液體更適合於板級應用。迄今為止,非流動性工藝並沒有得到廣泛應用。由於毛細管底部填充是在再流後應用,板子中的濕氣已被排除。非流動液體要求預烘焙來排除濕氣。否則的話,底部填充中會產生許多氣泡和孔洞,就會使非流動液體失去其具有的優點。據報導,還要求在再流後對板子進行烘焙,以確保液體完全固化,以完成由助焊劑狀態的轉換過程。

 


 

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