充膠設(shè)計(jì)與工藝的考慮事項(xiàng)

1、充膠設(shè)計(jì)與工藝的考慮事項(xiàng)By Steven J. Adamson充膠的有效使用要求摻和許多的因素，包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)問題，來適應(yīng)充膠工藝和產(chǎn)品需要。隨著電路的密度增加和產(chǎn)品形式因素的消除，電子工業(yè)已出現(xiàn)許許多多的新方法，將芯片級(jí)(chip-level)的設(shè)計(jì)更緊密地與板級(jí)(board-level)裝配結(jié)合在一起。在某種程度上，諸如倒裝芯片(flip chip)和芯片級(jí)包裝(CSP, chip scale package)等技術(shù)的出現(xiàn)事實(shí)上已經(jīng)模糊了半導(dǎo)體芯片(semiconductor die)、芯片包裝方法與印刷電路板(PCB)裝配級(jí)工藝之間的傳統(tǒng)劃分界線。雖然這些新的高密度的芯片級(jí)裝配技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

2、是非常重要的，但是隨著更小的尺寸使得元件、連接和包裝對(duì)物理和溫度的應(yīng)力更敏感，選擇最好的技術(shù)配制和達(dá)到連續(xù)可靠的生產(chǎn)效果變得越來越困難。改善可靠性的關(guān)鍵技術(shù)之一就是在芯片與基板之間填充材料，以幫助分散來自溫度變化和物理沖擊所產(chǎn)生的應(yīng)力。不幸的是，還沒有清晰的指引來說明什么時(shí)侯應(yīng)使用充膠和怎樣最好地采用充膠方法滿足特殊的生產(chǎn)要求。本文將探討有關(guān)這些問題的一些最近的想法。為什么充膠？考慮使用底部灌充密封膠的最初的想法是要減少硅芯片(silicon die)與其貼附的下面基板之間的總體溫度膨脹特性不匹配所造成的沖擊。對(duì)傳統(tǒng)的芯片包裝，這些應(yīng)力通常被引線的自然柔性所吸收。可是，對(duì)于直接附著方法，如錫球

3、陣列，焊錫點(diǎn)本身代表結(jié)構(gòu)內(nèi)的最薄弱點(diǎn)，因此最容易發(fā)生應(yīng)力失效。不幸的是，它們也是最關(guān)鍵的，因?yàn)樵谌魏芜B接點(diǎn)上的失效都將毀滅電路的功能。通過緊密地附著于芯片，焊錫球和基板，填充的材料分散來自溫度膨脹系數(shù)(CTE, coefficient of thermal expansion)不匹配和對(duì)整個(gè)芯片區(qū)域的機(jī)械沖擊所產(chǎn)生的應(yīng)力。充膠的第二個(gè)好處是防止潮濕和其它形式的污染。負(fù)面上，充膠的使用增加了制造運(yùn)行的成本，并使返修困難。由于這一點(diǎn)，許多制造商在回流之后、充膠之前進(jìn)行快速的功能測(cè)試。決定何時(shí)充膠因?yàn)榇嬖诓幌挛迨N不同的CSP設(shè)計(jì)1，加上無數(shù)的變量與涉及連接設(shè)計(jì)的操作條件，所以很難提供一個(gè)確切的規(guī)則

4、決定何時(shí)使用充膠?？墒?，在設(shè)計(jì)PCB時(shí)有許多關(guān)鍵因素應(yīng)該考慮進(jìn)去。一些重要因素包括：· 芯片與基板之間溫度膨脹系數(shù)(CTE)的不同。硅的CTE為2.4 ppm；典型的PCB材料的CTE為16 ppm。陶瓷材料可以按匹配的CTE來設(shè)計(jì)，但95%的礬土陶瓷的CTE為6.3 ppm。充膠在基于PCB的包裝上需要較大，雖然在陶瓷基板上也顯示充膠后的可靠性增加。一個(gè)替代方法是使用插入結(jié)構(gòu)的基板，如高CTE的陶瓷或柔性材料，作為芯片與主基板之間的吸振材料，它可減輕PCB與硅芯片之間的CTE差別。 · 芯片(die)尺寸。通常，芯片面積越大，應(yīng)力誘發(fā)的問題越多。例如，一項(xiàng)研究表明，當(dāng)芯片

5、尺寸由6.4增加到9.5mm時(shí)，連接所能忍受的從-40 125°C的溫度周期的數(shù)量由1500次減少到900次2。 · 錫球尺寸與布局在充膠評(píng)估上扮演重要角色，因?yàn)檩^大的球尺寸，如那些CSP通常采用的300µ的直徑，更牢固、可比那些倒裝芯片(flip chip)所采用的75µ直徑更好地經(jīng)受應(yīng)力。假設(shè)CSP與倒裝芯片的一個(gè)兩元焊接點(diǎn)的相對(duì)剪切應(yīng)力是相似的，那么CSP焊接點(diǎn)所經(jīng)受的應(yīng)力大約為倒裝芯片的四分之一。因此，CSP的設(shè)計(jì)者認(rèn)為焊錫球結(jié)構(gòu)本身可以經(jīng)得起基板與芯片溫度膨脹所產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力。后來的研究2顯示充膠(underfill)為CSP提供很高的可靠性優(yōu)

6、勢(shì)，特別在便攜式應(yīng)用中。在布局問題上，一些設(shè)計(jì)者發(fā)現(xiàn)，增加芯片角上焊盤的尺寸可增加應(yīng)力阻抗，但這個(gè)作法并不總是實(shí)用或不足以達(dá)到可靠性目標(biāo)。 · 系統(tǒng)PCB厚度。經(jīng)驗(yàn)顯示較厚的PCB剛性更好，比較薄的板抵抗更大的沖擊造成的彎曲力。例如，一項(xiàng)分析證明，將FR-4基板的厚度從0.6mm增加到1.6mm，可將循環(huán)失效(cycles-to-failure)試驗(yàn)的次數(shù)從600次提高到900次3。不幸的是，對(duì)于今天超細(xì)元件(ultra-small device)，增加基板厚度總是不現(xiàn)實(shí)的。事實(shí)上，每增加一倍的基板厚度提高大約兩倍的可靠性改善，但芯片尺寸增加一倍造成四倍的降級(jí)4。 · 使用

7、環(huán)境。在最后分析中，最重要的因素通常要增加所希望的產(chǎn)品生命力。例如，對(duì)手?jǐn)y設(shè)備(手機(jī)、擴(kuò)機(jī)等)的規(guī)格普遍認(rèn)同的就是，在-40 125°C的溫度循環(huán)1000次和從水泥地面高出一米掉落2030次之后仍可使用正常功能。 對(duì)溫度循環(huán)的研究已經(jīng)顯示充膠的使用可提供-40 125°C的溫度循環(huán)次數(shù)增加四倍，有些充膠后的裝配在多達(dá)2000次循環(huán)后還不失效5。當(dāng)權(quán)衡那些暴露在越來越惡劣的環(huán)境中的設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)失效(即退貨、信譽(yù)損失等)成本時(shí)，許多制造商正積極地轉(zhuǎn)向把底部充膠作為一個(gè)可靠性的保險(xiǎn)政策。滴膠的挑戰(zhàn)一旦作出決定使用充膠方法，就必須考慮到一系列的挑戰(zhàn)，以有效的實(shí)施工藝過程，取得連續(xù)可靠的

8、結(jié)果，同時(shí)維持所要求的生產(chǎn)量水平。這些關(guān)鍵關(guān)鍵問題包括：· 得到完整的和無空洞的(void-free)芯片底部膠流 · 在緊密包裝的芯片周圍分配膠 · 避免污染其它元件 · 通過射頻(RF)外殼或護(hù)罩的開口滴膠 · 控制助焊劑殘留物。 取得完整和無空洞的膠流因?yàn)樘畛洳牧媳仨毻ㄟ^毛細(xì)管作用(capillary action)吸入芯片底部，所以關(guān)鍵是要把針嘴足夠靠近芯片的位置，開始膠的流動(dòng)。必須小心避免觸碰到芯片或污染芯片(die)的背面。一個(gè)推薦的原則是將針嘴開始點(diǎn)的定位在針嘴外徑的一半加上0.007"的X-Y位移上，Z的高度為基板上芯

9、片(chip)高度的80%。在整個(gè)滴膠過程中，也要求精度控制以維持膠的流動(dòng)，而避免損傷和污染芯片(die)。為了最佳的產(chǎn)量，經(jīng)常希望一次過地在芯片多個(gè)邊同時(shí)滴膠?？墒?，相反方向的膠的流動(dòng)波峰(wave front)以銳角相遇可能產(chǎn)生空洞。應(yīng)該設(shè)計(jì)滴膠方式，產(chǎn)生只以鈍角聚合的波峰。芯片數(shù)量和鄰近關(guān)系當(dāng)設(shè)計(jì)一個(gè)板上有緊密包裝的芯片(die)需要底部充膠時(shí)，板的設(shè)計(jì)者需要留下足夠的空間給滴膠針嘴。圖一所示的位置一，兩個(gè)芯片共用一個(gè)滴膠路線是一個(gè)可接受的滴膠方法。與芯片邊緣平行的無源元件將有擋住的作用，如圖一位置二。與芯片邊緣成90°位置的元件可能會(huì)把膠液從要填充的元件吸引開。無源元件周圍的

10、填充材料沒有發(fā)現(xiàn)壞的作用。來自鄰近芯片或無源元件的交叉的毛細(xì)管作用，會(huì)將填充材料從目的元件吸引開，可能造成CSP或倒裝芯片底下的空洞。在大多數(shù)應(yīng)用中，21或22號(hào)直徑的針嘴是元件底部充膠的良好選擇。較小直徑的針嘴對(duì)液態(tài)流動(dòng)的阻力大，其結(jié)果是滴膠速度慢。可是，有時(shí)有必要通過使用小直徑的針嘴來減少圓角尺寸，保持膠流遠(yuǎn)離其它元件(表一)。表一、EFD針嘴圖表(不銹鋼針嘴，0.5"長(zhǎng))內(nèi)徑 外徑 號(hào)數(shù)(Gauge) 英寸 毫秒 英寸 毫秒 20 0.024 0.61 0.036 0.91 21 0.020 0.51 0.032 0.81 22 0.016 0.41 0.028 0.71 23

11、 0.013 0.33 0.025 0.64 25 0.0100.25 0.020 0.51 27 0.008 0.20 0.016 0.41 30 0.006 0.15 0.012 0.30 32 0.004 0.10 0.009 0.23 有時(shí)可能使用多頭滴膠系統(tǒng)來處理這些問題，預(yù)先使用較高粘性的、不會(huì)在底下流動(dòng)的材料，在相鄰元件周圍滴出一個(gè)堤擋。在隨后的滴膠過程中，該堤擋有效地阻止任何不需要的毛細(xì)管流動(dòng)到鄰近元件底下。通過開口滴膠隨著底部充膠在RF裝配中使用的增加，經(jīng)常要挑戰(zhàn)滴膠工藝，在RF屏蔽蓋已經(jīng)裝配好之后來實(shí)施充膠工藝。為了最佳的生產(chǎn)效率，通常要考慮在其它元件貼裝的同時(shí)來定位RF屏

12、蔽蓋，在一次過的回流焊接中，將所有東西焊接好。因此，產(chǎn)品和工藝設(shè)計(jì)者必須合作，為底部充膠在屏蔽蓋上留下足夠的開口。設(shè)計(jì)者還必須避免把芯片放得太靠近RF屏蔽蓋，因?yàn)槊?xì)管作用或高速滴膠可能會(huì)讓填充材料流到RF屏蔽蓋內(nèi)和CSP或倒裝芯片之上。如果元件與蓋之間的間隙小，那么滴填充材料的速度將受到限制，來避免填充在元件之上。減慢滴膠速率，將減慢裝配過程，限制產(chǎn)量。移到另一個(gè)孔或元件，又回到第一個(gè)孔滴多一些膠，這可能會(huì)有一點(diǎn)位移?？墒?，這涉及了多個(gè)運(yùn)動(dòng)，再一次降低產(chǎn)量(圖二)。Schwiebert和Leong給出了一個(gè)填充膠流速率的方程式7。流動(dòng)時(shí)間為：t = 3 µL2/h cos()這里：

13、t = 時(shí)間(秒)µ = 流體粘度L = 流動(dòng)距離h = 間隙或錫球高度 = 接觸或濕潤(rùn)角 = 液體蒸汽界面的表面張力(這些參數(shù)的值需要在液體滴膠溫度，通常90°C時(shí)獲得。)大多數(shù)制造商的泵和閥可將液體送到CSP或倒裝芯片，速度比材料在芯片底下可流動(dòng)的較快。芯片底下液體的體積/重量還需要確定8。一旦這些數(shù)確定后，對(duì)流動(dòng)速率作第一次近似計(jì)算，決定是否所以液體應(yīng)該一次滴下或者小量多次滴下。典型的工藝是：當(dāng)液體在第一個(gè)元件底下流動(dòng)的同時(shí)，移動(dòng)到第二個(gè)元件滴膠，再返回到第一個(gè)位置完成。例如，如果第一個(gè)元件的材料數(shù)量為20mg，并分成兩個(gè)滴膠周期，那么必須要一個(gè)可準(zhǔn)確滴出10mg數(shù)量

14、的滴膠系統(tǒng)?？刂浦竸埩艚?jīng)驗(yàn)顯示，存在過多的助焊劑殘留可能對(duì)充膠過程有負(fù)面的影響。這是因?yàn)樘畛洳牧细街谥竸埩簦桓街谒Ｍ腻a球、芯片和基板，造成空洞、拖尾和其它不連續(xù)性。而有研究6表明，在滴膠填充之前清潔芯片底部可看到溫度循環(huán)改善達(dá)五倍，事實(shí)上，增加這樣一個(gè)工藝步驟有背于現(xiàn)時(shí)的工業(yè)趨勢(shì)，也會(huì)負(fù)面影響整體產(chǎn)量。一個(gè)更實(shí)際的替代方法是，通過諸如有選擇性的噴射助焊劑等技術(shù)，提供對(duì)上助焊劑操作的更好的過程控制。選擇性噴射助焊劑可能在使用不同球直徑(75 對(duì) 300µ)倒裝芯片和CSP的混合技術(shù)設(shè)計(jì)中是特別有用的，因?yàn)槊總€(gè)元件座的助焊劑數(shù)量可由軟件控制，為每個(gè)元件類型提供確切的助焊劑厚度。優(yōu)化滴膠精度、靈活性和過程控制準(zhǔn)確的和可重復(fù)的填充劑滴膠是高產(chǎn)量生產(chǎn)環(huán)境中最重要的，特別是當(dāng)要求連續(xù)的10mg范圍的超小射點(diǎn)尺寸的時(shí)候。填充劑的滴膠要求精確的泵壓作用，其流動(dòng)速率永遠(yuǎn)不會(huì)隨粘性、針嘴直徑等的變化而變化。填充液體的準(zhǔn)確的體積控制可通過使用完全線性的變?nèi)荼?positive-displacement pump)來獲得，該泵使用一個(gè)活塞總是排出所要求的準(zhǔn)確體積