李菁萱，劉 沛，練濱浩，林鵬榮，黃穎卓

（1.北京微電子技術(shù)研究所，北京 100076；2.中國(guó)航天標(biāo)準(zhǔn)化與產(chǎn)品保證研究院，北京 100071）

1 引言

半導(dǎo)體封裝技術(shù)加工特征尺寸不斷縮小，集成電路的輸入/輸出端口數(shù)劇增，相應(yīng)的芯片封裝技術(shù)向高密度、高可靠性方向發(fā)展，以滿足千萬(wàn)門(mén)級(jí)FPGA、高性能SoC、高速高精度AD/DA等系列宇航核心集成電路的封裝需求[1]。倒裝焊封裝因具有近乎理想的封裝密度和優(yōu)異的高頻性能，在微電子封裝與組裝互連中具有明顯的優(yōu)勢(shì)[2]。

典型倒裝焊封裝是先在芯片上制備焊料凸點(diǎn)或單質(zhì)凸點(diǎn)，再將芯片凸點(diǎn)面朝下貼裝到基板上，通過(guò)焊接的方式實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的電氣互連，然后將底部填充膠沿芯片邊緣注入，借助于液體的毛細(xì)作用，底部填充膠會(huì)被吸入并向芯片與基板的中心流動(dòng)，填滿后加熱固化，工藝流程如圖1所示[3]。

圖1 底部填充工藝流程示意圖

陶瓷封裝中的倒裝焊技術(shù)是將芯片倒裝在陶瓷表面的焊盤(pán)上，而底部填充膠是在芯片和陶瓷基板之間進(jìn)行填充[4]。由于氧化鋁涂層處理能夠使陶瓷表面更細(xì)膩，會(huì)增加焊點(diǎn)強(qiáng)度和可靠性，用于封裝的陶瓷表面可能會(huì)進(jìn)行氧化鋁涂層處理。陶瓷外殼表面的狀態(tài)對(duì)底部填充膠的流動(dòng)性產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響底部填充的效果。因此，研究不同處理的陶瓷表面對(duì)于底部填充效果的影響至關(guān)重要[5]。

本文研究底部填充膠在不同處理的陶瓷外殼上的擴(kuò)散狀態(tài)以及等離子清洗技術(shù)對(duì)底部填充膠在陶瓷外殼擴(kuò)散狀態(tài)的改善作用。底部填充膠在陶瓷外殼上的流動(dòng)性能關(guān)系到底部填充工藝的可靠性，關(guān)系到倒裝焊器件的長(zhǎng)期可靠性。因此，針對(duì)底部填充膠在陶瓷外殼上流動(dòng)性能的研究至關(guān)重要。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)的兩種陶瓷外殼均由京瓷公司生產(chǎn)，陶瓷種類(lèi)均為A440，陶瓷表面采用不同的面處理方法，如表1所示，區(qū)別在于外殼1為素面（未印刷瓷漿），外殼2做了氧化鋁印刷瓷漿（Alumina coat）。試驗(yàn)選用C品牌環(huán)氧樹(shù)脂底部填充膠，其粘度為45 Pa·s（25℃），填料為硅化合物，填料直徑0.6～3.0 μm，含量65wt%。

表1 試驗(yàn)用陶瓷外殼材料簡(jiǎn)介

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容

選取兩種不同處理的外殼作為樣品，使用金相顯微鏡對(duì)其表面狀態(tài)進(jìn)行記錄對(duì)比。隨后進(jìn)行接觸角試驗(yàn)，共進(jìn)行8組試驗(yàn)，每組3次，試驗(yàn)溫度25℃。具體分組如表2所示。

表2 接觸角試驗(yàn)分組列表

其中射頻等離子清洗參數(shù)為功率380 W，氬氣流量75 sccm，清洗時(shí)間90 s。

液體對(duì)于固體的浸潤(rùn)是指當(dāng)液體接觸固體時(shí)，在毛細(xì)作用的驅(qū)動(dòng)下，液體通過(guò)固體內(nèi)部的流動(dòng)和運(yùn)輸，使其附著在固體表面或者滲透到固體內(nèi)部的現(xiàn)象。一般采用接觸角來(lái)衡量?jī)烧呓?rùn)性的好壞，如果接觸角θ＜90°,說(shuō)明液體的浸潤(rùn)性較好；如果接觸角θ＞90°,說(shuō)明液體的浸潤(rùn)性較差。接觸角越小說(shuō)明液體對(duì)固體的浸潤(rùn)性越好。為了更加直觀地表示水和環(huán)氧樹(shù)脂底部填充膠對(duì)外殼兩種表面的浸潤(rùn)性，本文測(cè)量了液體與陶瓷接觸瞬間的接觸角和趨近于平衡時(shí)的接觸角[6]。

隨后，在兩種外殼表面進(jìn)行倒裝后填充，對(duì)其擴(kuò)散狀態(tài)進(jìn)行觀察，并進(jìn)行芯片剪切。具體參數(shù)為剪切速度254 mm/s，剪切高度15 μm，剪切力閾值50 kg。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 陶瓷外殼的表面粗糙度

液體在陶瓷外殼上的擴(kuò)散狀態(tài)與陶瓷外殼表面粗糙度直接相關(guān)，液體會(huì)沿著凹凸不平的表面鋪張、浸潤(rùn)，因此對(duì)兩種不同處理的陶瓷外殼的表面狀態(tài)進(jìn)行觀察。圖2所示是外殼1和外殼2在400倍光學(xué)顯微鏡下的照片，可以看出兩種外殼表面均呈現(xiàn)無(wú)數(shù)凹凸不平的顆粒狀表面，從金相顯微鏡照片可以粗略看出，外殼1表面的粗糙度要略大于外殼2。等離子清洗對(duì)外殼的表面粗糙度基本沒(méi)有影響。

3.2 水在兩種陶瓷外殼上的擴(kuò)散狀態(tài)

為了確認(rèn)不同處理的外殼表面浸潤(rùn)性的不同，分別對(duì)兩種外殼表面進(jìn)行水滴角試驗(yàn)。如圖3所示，分別是外殼1和外殼2在水滴至外殼表面后，液體與陶瓷接觸瞬間的接觸角（0 s）和達(dá)到平衡時(shí)的照片，可以看出外殼1表面的水初始接觸角為61.5°，平衡時(shí)浸潤(rùn)，平衡時(shí)接觸角幾乎為0°；而外殼2表面的水浸潤(rùn)效果一般。這可能是由于表面經(jīng)過(guò)處理后，表面的憎水基增多，親水基減少，導(dǎo)致水在處理后的外殼表面浸潤(rùn)性能降低。

隨后，對(duì)兩種外殼進(jìn)行等離子清洗試驗(yàn)。等離子清洗后如圖4所示，外殼1瞬間浸潤(rùn)，外殼2初始接觸角依舊很大，但平衡時(shí)已經(jīng)幾乎完全浸潤(rùn)。這是由于等離子清洗使陶瓷表面的殘留臟污減少，提升了水在陶瓷表面的浸潤(rùn)性能。但仍無(wú)法完全改變處理后外殼表面不易浸潤(rùn)的問(wèn)題。

圖2 等離子清洗前后的外殼表面狀態(tài)

圖3 未經(jīng)等離子清洗外殼表面的水滴角（25℃）

圖4 等離子清洗后外殼表面的水滴角（25℃）

3.3 環(huán)氧樹(shù)脂在兩種表面狀態(tài)陶瓷外殼上的擴(kuò)散狀態(tài)

由于水僅能在一定程度上表征底部填充膠在外殼上的浸潤(rùn)性能，因此為了進(jìn)一步確認(rèn)不同處理的外殼表面狀態(tài)對(duì)底部填充的影響，采用底部填充膠作為接觸角測(cè)試用液體，進(jìn)行接觸角試驗(yàn)。如圖5所示，分別是外殼1和外殼2在環(huán)氧樹(shù)脂滴至外殼表面后，液體與陶瓷接觸瞬間的接觸角（0 s）和達(dá)到平衡時(shí)的照片，可以看出外殼1表面的液體初始接觸角較小，最終浸潤(rùn)狀態(tài)接觸角近似平角；而外殼2表面的水浸潤(rùn)效果一般，初始接觸角較大，達(dá)到平衡后沒(méi)有實(shí)現(xiàn)完全鋪展。這可能是由于表面經(jīng)過(guò)處理后，表面與環(huán)氧的親和力降低，導(dǎo)致環(huán)氧樹(shù)脂膠在處理后的外殼表面浸潤(rùn)性能降低。

由于等離子清洗可以改善陶瓷外殼表面狀態(tài)，增強(qiáng)其潤(rùn)濕性能，增加環(huán)氧樹(shù)脂的流動(dòng)型。隨后，對(duì)兩種外殼進(jìn)行等離子清洗試驗(yàn)。等離子清洗后，如圖6所示，外殼1初始接觸角小于未清洗之前。外殼2初始接觸角略有減小，但平衡時(shí)已經(jīng)幾乎完全浸潤(rùn)。這說(shuō)明等離子清洗對(duì)于兩種外殼表面的浸潤(rùn)性有所改善，但仍無(wú)法改變外殼處理帶來(lái)的浸潤(rùn)問(wèn)題。

圖5 環(huán)氧樹(shù)脂（底部填充膠）在未經(jīng)等離子清洗的外殼表面的接觸角（25℃）

圖6 環(huán)氧樹(shù)脂（底部填充膠）在等離子清洗后的外殼表面的接觸角（25℃）

由表3可知，等離子清洗對(duì)于外殼表面的浸潤(rùn)性有所提升，外殼1和外殼2在等離子清洗后的終態(tài)浸潤(rùn)角均小于清洗前，說(shuō)明等離子清洗后外殼的浸潤(rùn)效果有所提升。

從表3可知，未清洗時(shí)外殼2的接觸角從50.2°至完全浸潤(rùn)的44.1°，均遠(yuǎn)大于外殼1；等離子清洗后，外殼2的浸潤(rùn)終態(tài)接觸角大于外殼1。這說(shuō)明外殼1的浸潤(rùn)性要好于外殼2，更加說(shuō)明了外殼2的表面處理對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂膠的浸潤(rùn)存在不良影響，等離子清洗也無(wú)法完全優(yōu)化浸潤(rùn)性能。

表3 25℃下的接觸角結(jié)果

3.4 底部填充后性能驗(yàn)證

兩種處理的外殼表面倒裝同款芯片后進(jìn)行底部填充，圖7為底部填充后的金相顯微鏡照片，圖8為超聲掃描(C掃描模式，分辨率30 μm)的照片，可以發(fā)現(xiàn)無(wú)論是外殼表面還是芯片下方的位置，未進(jìn)行Alumina coat的陶瓷表面填充膠均擴(kuò)散均勻，且未發(fā)生分層，其超聲掃描圖擴(kuò)散均勻，說(shuō)明其填充過(guò)程中流動(dòng)速度較快，固化后看不出明顯的流動(dòng)路徑。而進(jìn)行Alum ina coat的陶瓷超聲掃描圖可以看出底部填充膠明顯的流動(dòng)路徑，說(shuō)明其流動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，擴(kuò)散性能較差。剪切過(guò)程如圖9所示，在施加50 kg的力對(duì)芯片未進(jìn)行Alum ina coat的陶瓷外殼上填充后進(jìn)行剪切，50 kg的力無(wú)法使芯片脫離外殼，證明未進(jìn)行A lum ina coat的陶瓷表面進(jìn)行底部填充，擴(kuò)散狀態(tài)正常，力學(xué)性能達(dá)標(biāo)。

圖7 填充后的環(huán)氧樹(shù)脂（底部填充膠）擴(kuò)散狀態(tài)

圖8 填充后的環(huán)氧樹(shù)脂（底部填充膠）擴(kuò)散狀態(tài)（超聲掃描）

圖9 剪切過(guò)程圖

4 結(jié)論

表面做過(guò)氧化鋁涂層后的外殼，水和環(huán)氧樹(shù)脂的浸潤(rùn)性能有著十分顯著的降低，較未處理的陶瓷外殼表面的浸潤(rùn)性差。經(jīng)過(guò)射頻等離子清洗（氬氣）處理后，兩種外殼表面的狀態(tài)均有所改善，說(shuō)明等離子清洗提高了陶瓷外殼表面的浸潤(rùn)性能。其中無(wú)氧化鋁涂層的陶瓷外殼，浸潤(rùn)效果提升更加明顯，環(huán)氧樹(shù)脂的浸潤(rùn)性能顯著提升。因此，建議倒裝焊一側(cè)的陶瓷外殼表面最好不要增加氧化鋁涂層，既能保證粘結(jié)強(qiáng)度達(dá)標(biāo)，又有利于底部填充膠的擴(kuò)散。

[1]傅冰.倒裝焊焊點(diǎn)的可靠性分析[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2006.

[2]姜學(xué)明,林鵬榮,練濱浩,等.有鉛和無(wú)鉛倒裝焊點(diǎn)研究[J].電子工藝技術(shù),2017,38(1):26-28.

[3]葛秋玲,陳陶.陶瓷封裝中貼片膠溶劑擴(kuò)散的研究[J].電子與封裝,2015，15(3):5-8.

[4]Young W B,Yang W L.Underfill of flip-chip:the effect of contactangleand solderbump arrangement[J].IEEE Transactions on Advanced Packaging,2006,29(3):647-653.

[5]葛秋玲,李良海.微波等離子清洗在封裝工藝中的應(yīng)用[J].電子與封裝,2014,14(2):5-8.

[6]王麗麗.國(guó)產(chǎn)T800碳纖維表面及其復(fù)合材料界面性能研究[D].北京：北京化工大學(xué),2013.