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 Steve n J. Adams on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(semico nductor 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

2、技術(shù)的優(yōu)勢(shì)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?？墒?，對(duì)于直接

3、附著方法，如錫球 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,coefficie nt of thermal expa nsio n)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

4、操作條件，所以很難提供一個(gè)確切的規(guī)則決定何時(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%的磯土陶瓷的 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

5、如，一項(xiàng)研究表明， 當(dāng)芯片尺寸由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300卩的直徑，更牢固、可比那些倒裝芯片(flip chip)所采用的75卩直徑更好地經(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:顯示充膠(underfill)為CSP提供很高的可靠性優(yōu)勢(shì)

6、，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。 使用環(huán)境。在最后分析中，最重

7、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)可靠的結(jié)果，同時(shí)

8、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

9、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。UhderfiHpdrjJlJCMrtiVlgur* 札 underlie disfensing on lubiVitei wrth ifMCBd «s«npwienLs-.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

10、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?？墒?，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200.0

11、240.610.0360.91210.0200.510.0320.81220.0160.410.0280.71230.0130.330.0250.64250.0100.250.0200.51270.0080.200.0160.41300.0060.150.0120.30320.0040.100.0090.23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Fbgure 2. UndedkiU d埠thieugh 治沁 申 if隨著底部充膠在RF

12、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。可是，這涉及

13、了多個(gè)運(yùn)動(dòng)，再一次降低產(chǎn)量 （圖二 ）。Schwiebert和Leo ng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 L2/h 入 cos(© )這里：t = 時(shí)間 （秒）卩=流體粘度L = 流動(dòng)距離h = 間隙或錫球高度© =接觸或濕潤(rùn)角入=液體蒸汽界面的表面張力90°C 時(shí)獲得。 ）（這些參數(shù)的值需要在液體滴膠溫度，通常大多數(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

14、。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)量的滴膠系統(tǒng)?？刂浦竸埩?經(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)?填充材料附著于助焊劑殘留， 而不附著于所希望的錫球、 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

15、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)300Q倒裝芯片和CSP的混合技術(shù)設(shè)計(jì)中是特別有用的，因 為每個(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-displaceme nt 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，不管膠點(diǎn)