陳志健，王劍峰，朱思雄

（中科芯集成電路有限公司，江蘇無錫 214072）

1 引言

隨著封裝工藝的不斷發(fā)展，倒裝焊封裝技術(shù)已經(jīng)逐漸成為封裝行業(yè)的主流技術(shù)之一[1-2]。倒裝焊封裝是先在芯片表面制備凸點（Cu柱或SnAg），再將芯片凸點面朝下貼裝到陶瓷或塑料基板焊盤上，通過回流焊接或熱壓焊接工藝TCB（Thermal Compression Bonding）實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的電氣互連。底部填充膠作為填充材料，能有效緩解芯片與有機(jī)基板熱膨脹系數(shù)（CTE）不匹配的問題[3-4]。底部填充膠一般沿芯片邊緣噴涂，毛細(xì)力驅(qū)動底部填充膠向芯片另一邊緣流動，填充芯片與基板之間的空隙，待膠水填滿后加熱固化，底部填充工藝如圖1所示。由于毛細(xì)驅(qū)動力較小，填充速度緩慢，所以底部填充是倒裝芯片封裝技術(shù)工藝流程中較為耗時、容易引發(fā)產(chǎn)品缺陷的一步。

圖1 底部填充工藝

目前倒裝芯片的焊球節(jié)距不斷縮小，有些產(chǎn)品已經(jīng)達(dá)到90μm左右，同時銅柱型焊球高度一般為58μm（Cu30+Ni3+SnAg25），回 流 焊 接 后 高 度（Standoff Height）僅為40μm左右，如果基板設(shè)計不合理，可能不利于底部填充材料的流動，從而在某些區(qū)域產(chǎn)生氣孔[5]。一般情況下，消費(fèi)類電子產(chǎn)品接受不包含2個焊球的氣孔；但對于軍品電路，其使用環(huán)境復(fù)雜，考核條件更為嚴(yán)苛，微小氣孔的存在也可能導(dǎo)致長期可靠性失效問題[6]。

馮苗苗等[7]通過對軍用倒裝焊器件底部填充膠選型的基本要求進(jìn)行梳理，優(yōu)選出4款底部填充膠，通過對4款填充膠進(jìn)行理論計算與相關(guān)仿真，從中優(yōu)選出E1173底部填充膠，通過試驗摸索出了該款底部填充膠適宜的使用條件。萇鳳義[8]等研究了可返修、不可返修和四角綁定3種底部填充膠水對芯片尺寸級封裝體的機(jī)械強(qiáng)度、板級安裝可靠性的影響，對各種底部填充膠水的應(yīng)用性、安全性及可靠性進(jìn)行了量化評價，為底部填充膠水的選用提供了依據(jù)。

張良明[9]認(rèn)為影響填充膠在芯片和基板之間流動的因素如下：一方面是填充膠的表面張力、接觸角、粘度和硬化反應(yīng)，其中粘度是主要因素，而溫度又是影響填充膠粘度的主要原因；另一方面是焊球點的布置密度和邊緣效應(yīng)，焊球點對流動的影響取決于焊球點之間縫隙的寬度、焊球點的直徑及芯片與電路底板之間的縫隙高度，底部填充模型參見圖2。底部填充膠流淌時間tf與膠水黏度μ、芯片尺寸L、焊球高度h以及毛細(xì)驅(qū)動力△p有關(guān)，見式（1）。但是在考慮焊球尺寸以及節(jié)距的情況下，公式可進(jìn)一步推導(dǎo)為式（3），可見最終影響流動時間的因素為基板表面能σ、接觸角α、焊球高度h以及焊球的尺寸d與節(jié)距W。所以為了適應(yīng)細(xì)節(jié)距倒裝產(chǎn)品，原材料方面最有效的方法就是降低膠水黏度μ，工藝方面最有效的方法就是提高底部填充前基板表面能σ，減小膠水與基板面的接觸角α?；骞?yīng)商會選擇合適的阻焊材料，而封裝廠則會采用合適的等離子清洗條件來增大毛細(xì)作用，降低膠水流淌時間，提升生產(chǎn)效能[8,10-11]。

圖2 底部填充模型

從原材料方面提升膠水流動性，一般從優(yōu)化膠水化學(xué)組成和降低填料粒徑方面考慮。Namics、Hitachi、Henkel等主流底填膠水廠商目前常用填料平均粒徑在0.6～2.0μm，降低填料粒徑一方面增大了工藝難度，另一方面樹脂的分散性與流動性反而會變差。所以改善流動性最佳的辦法即是采用多元固化體系或增加化學(xué)助劑降低膠水黏度，但是這些新固化體系或助劑的加入引出一個新的問題——化學(xué)組分增多，如果底部填充膠水與助焊劑不兼容或與助焊劑殘留反應(yīng)，那么固化過程中揮發(fā)性氣體增多，容易形成微氣孔[12-15]，同時供應(yīng)商給出的膠水推薦固化曲線不一定適用于實際產(chǎn)品。本研究結(jié)合實際工程經(jīng)驗，將不同型號膠水、固化曲線進(jìn)行組合試驗，成功解決某型號產(chǎn)品固化后微氣孔殘留的問題。

2 試驗材料與方法

本文主要探討底部填充膠水以及固化程序的選擇對固化后產(chǎn)品微氣孔的影響，從膠水型號、膠水固化曲線設(shè)置等方面對固化后的效果進(jìn)行研究和討論。

2.1 實驗材料

實驗選用Namics 3款底部填充膠U8410-73C、U8410-302以及U8410-99，3種膠水的常見參數(shù)見表1。實驗的塑封基板均由Simmtech公司生產(chǎn)，基板層疊結(jié)構(gòu)以及厚度見圖3；實驗選用的芯片為硅基芯片，助焊劑為Senju公司的水溶性助焊劑WF6317。

表1 3種膠水物化參數(shù)及相關(guān)特性表

圖3 實驗用Simmtech基板

2.2 實驗過程

將實驗基板上貼滿硅芯片，每條基板上96顆unit，貼裝完成后正常進(jìn)行助焊劑清洗。在底部填充前將實驗產(chǎn)品在150℃高溫下全部進(jìn)行烘烤2 h，之后按A/B/C組實驗條件選用不同的膠水以及固化曲線進(jìn)行底部填充實驗，固化試驗后15 min內(nèi)進(jìn)行超聲波掃描（CSAM）實驗，記錄數(shù)據(jù)并統(tǒng)計結(jié)果。

3 分析與討論

A組實驗使用U8410-73C膠，分別烘烤不同時間后立即進(jìn)行超聲波掃描分析（C-SAM），發(fā)現(xiàn)在A0、A3、A4、A6組發(fā)現(xiàn)氣孔，如表2所示。

表2 A組固化程序?qū)饪妆壤挠绊?/p>

A0組為供應(yīng)商推薦的膠水烘烤程序，氣孔比例達(dá)到9.38%，因此有必要對固化曲線進(jìn)行一定的優(yōu)化。A組實驗首先增加A1、A2分組，降低烘烤溫度為100℃，分別采用20 min與120 min固化，目的在于確認(rèn)氣孔產(chǎn)生時間與溫度區(qū)間。A1與A2組經(jīng)C-SAM未發(fā)現(xiàn)氣孔，因為此時固化溫度相對較低，烘烤時間較短，膠水交聯(lián)固化反應(yīng)速率小，氣體量產(chǎn)生較少，此時膠水并未完全固化。

A3、A4、A5、A6組實驗通過增加烘烤溫度與設(shè)置分段式曲線進(jìn)一步確認(rèn)氣孔產(chǎn)生時間與溫度區(qū)間。試驗發(fā)現(xiàn)A4氣孔比例為5.21%，此時恒溫溫度為120℃，膠水反應(yīng)速率上升，氣體量釋放增加，同時外圍膠水固化，氣體殘留在內(nèi)部形成氣孔。對比A3、A5、A6組試驗發(fā)現(xiàn)，第二恒溫段的溫度與時間的設(shè)置對于氣孔的消除至關(guān)重要，這是因為升高溫度或延長恒溫時間都會使得氣體釋放量難以控制，所以我們考慮將當(dāng)前的兩段式烘烤再引入一個中間恒溫段，同時控制整個恒溫時間不變，再進(jìn)行A7組試驗。A7組雖然引入了中溫段，但C-SAM結(jié)果顯示采用三段式固化曲線（90℃/60 min+110℃/60 min+150℃/120 min/8 kgf），此時仍有2.08%的氣孔比例，表明增加低溫烘烤時間有利于氣體量的緩慢釋放，但不足以使得氣孔在烘烤過程中完全消除。

A0、A7組C-SAM異常位置如圖4（a）、（b）所示。針對所有黑色異常位置做了統(tǒng)計分布，發(fā)現(xiàn)黑色異常點位置都在邊緣處，異常統(tǒng)計如圖5所示。

圖4 C-SAM實驗異常

圖5 黑色異常點異常統(tǒng)計

異常位置點集中在芯片四周邊緣處，并且氣孔按分布看，出現(xiàn)氣孔的比例芯片右側(cè)>芯片上側(cè)>芯片下側(cè)>芯片左側(cè)。這與芯片焊球分布方式以及點膠路徑有很大的關(guān)系。因為右側(cè)是90μm焊球間距所占焊球比例最高的區(qū)域，接下來依次是下側(cè)、上側(cè)和左側(cè)。這是因為這些位置相鄰焊球間間距最小僅49μm，底部填充膠在流經(jīng)這些位置時存在一定阻礙，同時固化曲線設(shè)置不當(dāng)容易在這些區(qū)域形成大量揮發(fā)性氣體，短時間內(nèi)難以釋放。而下側(cè)氣孔比例低于上側(cè)是因為下側(cè)為底部填充點膠邊，膠水在此時流動性最強(qiáng)，毛細(xì)驅(qū)動力大，所以不太會產(chǎn)生聚集現(xiàn)象。

將A0、A7組試樣進(jìn)行X-section和P-lapping分析，結(jié)果分別如圖6、7所示，該位置黑色異常確認(rèn)為氣孔，且該位置的氣孔的確如C-SAM圖顯示為不規(guī)則狀態(tài)。

圖6 黑色異常點X-section分析

圖7 黑色異常點P-lapping圖

查看表1中3種膠水物化參數(shù)及相關(guān)特性可發(fā)現(xiàn)，U8410-73C膠水填料粒徑最小，填料成分占比達(dá)65%，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg適中，原則上填充效果應(yīng)該最好，但多次調(diào)整固化曲線仍然不能完全消除氣孔，所以猜測可能是助劑或固化體系的影響，因為對比3種膠水不純凈物離子濃度，U8410-73C是最高的。因此考慮引入U8410-99與U8410-302進(jìn)行更進(jìn)一步的實驗。

B組實驗使用U8410-99與U8410-302膠，分別烘烤不同時間后立即進(jìn)行C-SAM分析，U8410-99填料粒徑偏大，可能填充情況不會太好，因此僅采用工藝常用參數(shù)進(jìn)行一組實驗（B0）。U8410-302適用于該Cu柱型倒裝產(chǎn)品，采用供應(yīng)商推薦的固化曲線B1與A7組相同的三段式固化曲線進(jìn)行了實驗（B2），實驗結(jié)果見表3。

表3 B組固化程序?qū)饪妆壤挠绊?/p>

實驗結(jié)果表明，U8410-99氣孔比例很高，這與其填料粒徑偏大有很大關(guān)系，膠水在流經(jīng)焊球間距偏小的區(qū)域時，產(chǎn)生樹脂填料等堆積，固化后產(chǎn)品氣孔比例很高。U8410-302填料平均粒徑適中，樹脂含量相對少，在固化反應(yīng)中氣體釋放量較少，通過控制低溫段固化時間，有利于氣體及時排除，消除微氣孔。B2組C-SAM與切片結(jié)果見圖8。

圖8 B2組C-SAM掃描與切片結(jié)果

4 結(jié)論

針對FCCSP產(chǎn)品固化后存在微孔洞的問題，通過降低低溫段保持時間，增加第三恒溫段，采用90℃/60 min+110℃/60 min+150℃/120 min/8 kgf三段式固化程序，能夠有效解決揮發(fā)性氣體產(chǎn)生的微孔洞，研究結(jié)果對于窄節(jié)距FC產(chǎn)品的底部填充具有一定的工程指導(dǎo)意義。