晶圓級CSP裝配的底部填充工藝

人們對一些應用在手持設(shè)各如手機和數(shù)碼相機等上的CSP的機械連接強度和熱循環(huán)可靠性非常關(guān)注。由于 組件中的各種材料的熱膨脹系數(shù)不匹配，輕微的熱變形就會導致應力存在于細小的焊點中。為了改善這種現(xiàn) 象，提高組件的機械連接強度和熱循環(huán)可靠性，需要對CSP的裝配進行底部填充。但是底部填充需要增加設(shè) 備和工藝，同時也會使重工復雜化，需要綜合考慮。完整的底部填充如圖1所示。

圖1 完整的底部填充

本文介紹的是底部填充方法——局部填充，可以應用在CSP或BGA的裝配中。局部填充是將底部填充材料以 點膠或印刷的方式沉積在基板上位于元件的4個角落處或四周（如圖2和圖3所示）。相比毛細流動或非流動 性底部填充材料，應用于此工藝的材料黏度較高。如Loctite FP640l，其黏度在室溫時達300 000～ 600000Cps。局部填充工藝的特點是：

·底部填充材料被沉積在基板上元件角落處或四周；

·填充材料不會流動，焊點周圍不能有填充材料：

·由于焊點周圍沒有填充材料，重工會更容易；

·可以選擇UV材料，使用紫外線使填料固化，而不應用加熱固化方式。

圖2 4個角落處做局部底部填充 圖3 4個角落處儆局部底部填充貼裝示意圖

（1）膠量的控制和元件周圍空間的考慮

在點膠或印膠之前需要精確估計膠量，過多的膠量會污染周圍其他的元件和焊盤，同時，過多的膠會流入 元件底部污染焊點；膠量太少則元件側(cè)面或角落處的膠爬升不夠。

針對不同的元件具體需要多少的膠量，沒有精確計算的公式，需要通過試驗來確定。在確定膠量的同時， 需要考慮周圍是否有足夠的空間來施加膠水。一般比較便捷的評估方法是首先準備一塊大小和將要裝配的元 件相同的玻璃片，玻璃片的一面具有和元件焊球高度一樣的立高結(jié)構(gòu)，然后將評估的膠量印刷或點在基板適 當?shù)奈恢?，最后將準備好的玻璃片貼在基板上，在顯微鏡下觀察是否有膠污染元件底下的焊盤或周圍其他焊 盤，并注意填充膠不要污染元件旁邊的局部基準點。圖4和圖5是在基板上元件所在位置4個角落處點膠，材 料為Loctite 35 15，每個點為0.75 mg，貼上玻璃片模擬元件的貼裝，發(fā)現(xiàn)左上角膠點太靠近焊盤，可能會 污染到焊點。所以需要減少膠量或?qū)Ⅻc膠的位置稍向外挪。當將膠點的質(zhì)量降到0.5 mg時，發(fā)現(xiàn)每個膠點會 不均勻。

圖4 4個角落處點膠，材料Loctite 3515每個膠點0.15 mg

圖5 貼上具有10 mil立高的玻璃片，左上角膠點距離焊盤太近

圖6和圖7是將CSP貼裝在PCB上以及膠水固化后的情形，其焊點高度相比未經(jīng)局部底部填充元件的焊點高大 約l～2 mil。

圖6 焊球高度為1 0 mil的CSP貼裝在PCB上時膠點的情形

圖7 回流焊接后膠點固化的情形

在基板上元件位置四周點膠需要注意的是，起始端和終端不要相連，也就是不要形成封閉圖形，以免在貼 裝過程中將氣體封入元件底部與基板之間的空間，在固化和回流焊接過程中氣體進入填料中而產(chǎn)生空洞。

圖8是在元件四周點膠，材料是Loctite 3509，膠水總重量為45 mg。注意：起始端和終端之間留有約2 mm 的距離，以利于焊接和固化過程中的排氣。

圖8 元件四周點膠，貼裝和回流焊接，固化之后，膠對元件側(cè)面良好的潤濕

（2）回流焊接及膠水固化工藝控制

回流焊接及固化過程是需要控制的重點。在同一回流焊接爐內(nèi)，必須先完成焊接，然后膠水才能固化。由 于在焊接過程中，元件離板高度有一定程度的降低，所以膠水此時要能夠流動。

一般膠水的固化溫度為120～165°C固化時間為3～30 min，對于固化時間要求比較長的材料，在過完回流 爐之后，還需要再次加熱，保證膠水完全固化。在選擇材料時，要充分考慮其固化溫度曲線和焊接溫度曲線 兼容性的問題，助焊劑活化溫度和回流焊接溫度高的溫度曲線與固化溫度低或固化時間短的溫度曲線兼容性 就差，此時工藝窗口很窄，要獲得滿意的裝配良率會比較困難。如何設(shè)置回流焊接與固化溫度參數(shù)，以獲得 二者兼容的最佳溫度曲線。

（3）對四角或四周局部填充的CSP裝配可靠性的評估

這里討論的是CSP裝配的熱循環(huán)可靠性，利用晶圓級CSP，采用不同的裝配方式來比較其在熱循環(huán)測試中的 可靠性。依據(jù)IPC－9701失效標準，熱循環(huán)測試測試條件：

·0/100°C氣——氣熱循環(huán)測試；

·20mln一個循環(huán)，5 min升溫降溫，5 min高低溫駐留。

測試樣品采用不同變量的組合：

·wLCSP元器件192個焊球，0．4 mm間距；

·焊球材料SnAgCu305；

·焊球直徑0.25 mm：

·采用的錫膏SnAgCu305；

·局部填充材料Loctite FP6401，其特性參數(shù)如表1所示；

·測試基板厚度為0.062，4層，纖維強化FR4，玻化溫度為175℃；

·焊盤尺寸7 mil；

·焊盤表面處理方式采用OSP。

表1 Loctite FP6401部分特性

實驗采用WLCSP和實驗用POD分別如圖9和圖10所示。

圖9 實驗采用WLCSP圖10 實驗采用PCB

其中，兩組樣品在元件四周或4個角落進行局部填充，然后在溫度238°C下回流焊接和膠水固化，回流溫度 曲線如圖11、圖12和圖13所示。

　圖11 回流焊接溫度曲線

　圖12 元件四周點膠圖13 元件四角點膠

測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩種點膠方式，在可靠性方面沒有明顯差異（置信度P＝0.583），但是相比采用錫膏裝配 不進行局部填充的樣品，其可靠性提升了將近3倍，其熱循環(huán)性能強烈依賴于膠水的特性，采用其他玻璃化 轉(zhuǎn)變溫度更高，熱膨脹系數(shù)較低，填充物含量較高的膠水，采用局部填充的裝配方式，其可靠性至少可以提 升5倍。但是周邊底部填充和四角底部填充的方法雖然可有效提升晶圓級CSP裝配件的可靠性，但需要額外的 工藝控制。

3種裝配熱循環(huán)測試的Weibull分析如圖14所示。

　圖14 3種裝配熱循環(huán)測試的Weibull分析

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