倒裝晶片的底部填充工藝

底部填充工藝就是將環(huán)氧樹脂膠水點涂在倒裝晶片邊緣，通過“毛細(xì)管效應(yīng)”，膠水被吸往元件的對側(cè)完成底 部充填過程，然后在加熱的情況下膠水固化。為了加快膠水填充的速度，往往還需要對基板進(jìn)行預(yù)熱。利用“毛 細(xì)管效應(yīng)”進(jìn)行底部填充的工藝分為以下幾個步驟：

·基板預(yù)熱；

·分配填料（點膠）：

·毛細(xì)流動；

·加熱使填料固化。

為什么倒裝晶片焊接完后都需要進(jìn)行底部填充呢？我們來看焊接完成之后組件中材料，其中有電路板、元器件 和電路板材料為有機材料，如環(huán)氧樹脂玻璃纖維加強材料、銅焊盤及線路、焊盤上其他金屬和阻焊膜，而元件基 材是硅，還有金屬焊球。所有這些材料熱膨脹系數(shù)都不一致，稍微的熱變形可能會造成組件內(nèi)應(yīng)力集中的現(xiàn)象， 由于倒裝晶片組件的焊點非常小，很容易在此過程中破裂。之所以需要底部填充是因為倒裝晶片組件：

①材料之間熱膨脹系數(shù)不匹配；

②彎曲變形可能造成失效；

③跌落/沖擊/機械振動造成失效；

④靜態(tài)負(fù)荷，如散熱片工作產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致失效；

⑤需要提高熱循環(huán)壽命。

底部填充分為基于毛細(xì)流動的底部填充和預(yù)先施加膠水的非流動性底部填充工藝.

在圖1中，因未進(jìn)行底部填充，SnPb焊點出現(xiàn)疲勞裂紋。

圖1 SnPb焊點，未進(jìn)行底部填充，出現(xiàn)疲勞裂紋

圖2 是倒裝晶片底部填充材料特性與結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 倒裝晶片底部填充材料特性與結(jié)構(gòu)示意圖

（1）底部填充工藝對于填充材料的要求

對于填充材料的特性，我們要求：

①流動性要好，同時有比較好的潤濕能力，能夠適應(yīng)最小的間隙，在流動過程中不容易產(chǎn)生氣泡，有較好的形 成圓角的能力。

②固化條件能夠和現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝流程相匹配。較長的固化時間可能會成為生產(chǎn)線的瓶頸。

③良好的可靠性，譬如，·較高的?；瘻囟龋═g），與組件相匹配的熱膨脹系數(shù)（CTE）等。

④與助焊劑有良好的兼容性。有時由于材料選擇不當(dāng)，助焊劑和填充材料之間會產(chǎn)生交互反應(yīng)，使產(chǎn)品可靠性 迅速降低。

⑤組裝完成后，組件能夠承受長時間的老化，并且暴露在濕汽中功能和可靠性不受影

響。

⑥組件可以通過無鉛濕敏度測試（JEDEC，Level 3）。

在實際應(yīng)用中，我們該如何選擇底部填充材料呢？填充材料的選擇是與產(chǎn)品特點相關(guān)的，往往需要在工藝和可 靠性間平衡。以下是我們在選擇材料時考慮的因素：

·基板材料的不同，硬質(zhì)板和柔性板要求底部填充材料熱膨脹系數(shù)會不一樣。

·晶片尺寸的大小及離板的間隙會影響膠水在底部流動的速度，較大的元件需要流動速度較快的填充材料，要 考慮填充材料的流動速度是否成為瓶頸。

·填充材料在小的間隙中是否具有合理的流動速度。一般材料都會界定最小的填充間隙，在選擇時需要考慮產(chǎn) 品的最小間隙是否滿足要求。

·填充材料在小的間隙中流動是否會容易產(chǎn)生氣泡，氣泡的存在會降低產(chǎn)品的可靠性。

·底部填充材料對上下兩側(cè)材料的潤濕力是否相近，如果差異太大，會造成流動不完整，或產(chǎn)生氣泡。

·填充材料自動形成圓角的能力要強，其對元件基材具有良好的潤濕能力，一部分填充材料要能夠自動爬至元件 的四個側(cè)面形成圓角。

一些底部填充材料的特性如表1所示。

表1 一些底部填充材料的特性

邊緣圓角對于組件可靠性非常關(guān)鍵，它與環(huán)境、填料本身的特性、助焊劑及阻焊膜和基板的厚度相關(guān)。

邊緣圓角厚度是指元件下表面一邊與填料由于爬升至元件側(cè)面形成弧線的切線之間的距離，如圖3和圖4所示。

那么圓角厚度多少才合適呢？3～10 mil對一些在熱循環(huán)中有較好表現(xiàn)的材料比較適合。太薄則容易與晶片和基 板分離，過厚則在角落出容易出現(xiàn)裂紋，或在附近焊點出現(xiàn)分層。由于膠水分配工藝穩(wěn)定性的原因，膠水量在10 ％內(nèi)變動屬于正常。如圖5所示。

圖3 底部填充邊緣圓角俯視圖圖4 底部填充邊緣圓角剖視圖

圖5 底部填充邊緣圓角外觀圖

（2）底部填充工藝控制

基板在底部填充之前需要烘烤，倒裝晶片基材是硅，無須烘烤。烘烤目的是為了驅(qū)除基板/組件內(nèi)的水汽，防 止在固化過程中受熱蒸發(fā)進(jìn)入填料而形成氣泡。基板/組件需儲存在干燥環(huán)境中，僅在底部填充前烘烤。烘烤時 間依賴于組件/基板的構(gòu)造，阻焊膜內(nèi)的水汽一般125℃下30 min便可驅(qū)除，但內(nèi)層水汽即使125℃烘烤2h還不能 驅(qū)除。焊盤表面處理方式是OSP的基板需要考慮在烘烤過程中氧化的問題。

一般填充材料在一定溫度下毛細(xì)流動速度較低溫下快，所以底部填充材料都需要預(yù)熱到一定溫度，以便其在元 件底部的流動。板上預(yù)熱溫度可以控制在90℃左右，或依照材料的使用說明設(shè)置適當(dāng)?shù)念A(yù)熱溫度。膠水一般保存 在－40～－60℃的低溫環(huán)境中，使用前需要將其從超低溫冰箱中取出回溫到室內(nèi)溫度。膠量的控制對于合適的邊 緣圓角形成非常關(guān)鍵。我們可以設(shè)定如圖6所示的模型，進(jìn)行理論膠量的計算，但是更重要的是控制穩(wěn)定的膠水 流量，形成滿意的邊緣圓角。

　圖6 理論膠量計算模型

模型建立：總的膠量可以分割成元件底部和四周圓角兩

·Vt：理論膠量：

·vs：元件底部膠量：

·Vf：元件四周圓角膠量：

·I：元件寬：

·W：元件長：

·h：元件厚；

·s：元件離板間隙：

·r：邊緣圓角在基板上的寬。

·n：焊球的數(shù)量

則

填充材料流動速度或填充的時間除了與其特性相關(guān)外，還于晶片尺寸大小，離板間隙以及填充材料對元件和基 板的潤濕力相關(guān)。如果晶片尺寸較大而且離板間隙小，則填充完整需要的時間就長。填充材料對元件和基板的潤 濕力差異太大，也會造成填充時間過長，而且可能會產(chǎn)生氣泡。填料在元件底部流動的速度還與點膠的路徑有關(guān) 系，在填料流動方向上阻礙多，如焊點和阻焊膜窗口等，會造成流動速度慢而且容易產(chǎn)生氣泡。如圖7、圖8和圖 9所示。

圖7 元件面積和流動時間的關(guān)系

　圖8 離板間隙與填充時間有關(guān)系

圖9 基板潤溫度與填充時間的關(guān)系

好的點膠路徑的安排可以獲得非常好的流動效果，而且能降低填料中的氣泡。如10和圖11所示，路徑1（I型）和 路徑2（L型）比較常用，應(yīng)盡量避免使用路徑3（U型），因為這種方框型的路徑很容易將元件底部的空氣封入填料中。即使選擇路徑1或2，也需要仔細(xì)優(yōu)化畫 線的長短和粗細(xì)。當(dāng)畫線太長時，會導(dǎo)致兩側(cè)部分流動快，而中間部分流動慢，最后將空氣封入填料中。這時推 薦使用較短的粗線，在流動方向上讓填料中間部分流動稍快，避免產(chǎn)生氣泡。但此時需要考慮倒裝晶片四周是否 有足夠的點膠空間，可不可以避過靠得很近的其他元件。對于周圍沒有太多空間的情況，有時可以在同—邊同一 位置畫多道細(xì)線來解決。

圖10 畫線過長，兩側(cè)部分流動快導(dǎo)致空氣被封入其中

圖11 較短的畫線，中間部分流動快，避免產(chǎn)生氣泡

單路徑有利于減少流動過程中卷入的氣泡，但是完成填充的時問會長。如果焊盤處在阻焊膜長的窗口中，這時 應(yīng)避免填料流動的方向與阻焊膜窗口的長度方向平行，因為在這種情況下，在填料流動過程中氣泡很容易在阻焊 膜窗口內(nèi)形成，如圖12所示。

圖12 填料流動過程中在阻焊膜窗口內(nèi)形成氣泡

填料的固化可以在回流爐或自動控制的烤箱中完成，需要控制加熱的溫度和時間。不同的底部填充材料需要的 加熱溫度和時間會不一樣，溫度比所要求的低或高出10＇C會對可靠性產(chǎn)生非常顯著的影響。溫度太低，填料不 能完全固化；溫度太高，則會帶來氧化的問題。加熱時間的偏差應(yīng)該控制在所要求加熱時間的⒛％以內(nèi)，假如⒛ mln的圃化時間，16 min會太短，24 min則會太長。對于一些混合裝配，產(chǎn)品上可能有一些熱敏元件，長時間的 高溫加熱會對其造成傷害，這時工藝安排上需要考慮先進(jìn)行底部填充，然后圃化，再裝配那些熱敏元件?？赡芤?些基板焊盤是采用OSP的表面處理方式，多次受熱會導(dǎo)致焊盤氧化可焊性降低，如果固化之后還有其他SMT工藝， 則會產(chǎn)生相當(dāng)大的影響，在氮氣中完成固化是有效的解決方案。

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