底部填充工藝探討

張 濤 孫忠新

（江南計(jì)算技術(shù)研究所，江蘇 無(wú)錫 214000）

隨著半導(dǎo)體封裝技術(shù)的發(fā)展，裸芯片的凸點(diǎn)節(jié)距越來(lái)越小，這對(duì)倒裝芯片（Flip Chip）封裝的底部填充技術(shù)提出了很大的挑戰(zhàn)。底部填充工藝通過(guò)把底部填充膠水從裸芯片邊緣施加到基板上，利用液體的毛細(xì)作用流入到裸芯片底部，并在一定溫度下固化形成對(duì)封裝的保護(hù)，增加了封裝的機(jī)械強(qiáng)度，同時(shí)，更為關(guān)鍵的是在溫度發(fā)生變化時(shí)，部分吸收裸芯片、基板和焊點(diǎn)等不同材料之間CTE的不匹配而產(chǎn)生的應(yīng)力和形變，在一定程度上對(duì)封裝體形成保護(hù)，從而提高了FC封裝的可靠性。

為了提高底部填充膠水的流動(dòng)速度，可以對(duì)基板進(jìn)行預(yù)熱，目前的很多點(diǎn)膠設(shè)備都同時(shí)具有對(duì)點(diǎn)膠頭和底板平臺(tái)進(jìn)行加熱的功能。當(dāng)?shù)撞刻畛淠z水充滿(mǎn)芯片與基板的間隙后，可以采用烘箱或?qū)Ｓ玫墓袒癄t進(jìn)行固化。底部填充工藝中有兩個(gè)方面一直被認(rèn)為是批量生產(chǎn)的瓶頸，即：底部填充膠水在芯片下的流速和固化所需要的時(shí)間。試驗(yàn)表明：在真空條件下，可以使流速增加五倍以上。因此，很多點(diǎn)膠設(shè)備在往這方面研究發(fā)展，但無(wú)論如何，膠水在芯片下的流速問(wèn)題始終是我們最關(guān)心的一個(gè)制約因素。

本文將主要針對(duì)底部填充自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中遇到的影響產(chǎn)量的因素，從底部填充膠水的體積計(jì)算、膠水分配的精確控制、分配技術(shù)的比較、分配模式的選擇等多個(gè)方面，討論底部填充過(guò)程中避免空洞的形成和殘余膠水的控制，討論對(duì)膠水流動(dòng)速度的改進(jìn)，并給出了相關(guān)的工藝試驗(yàn)數(shù)據(jù)，本文的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的生產(chǎn)工藝。

1 底部填充工藝的考慮因素

倒裝芯片封裝的底部填充膠水通過(guò)針頭沿著芯片邊緣進(jìn)行分配，毛細(xì)作用讓液體在凸點(diǎn)間隙內(nèi)流動(dòng)，固化后用于滿(mǎn)足機(jī)械、熱、環(huán)境應(yīng)力等要求。底部填充膠水的自動(dòng)分配對(duì)于降低費(fèi)用很重要，這里要考慮的因素很多，主要包括了：分配量的計(jì)算、分配體積的準(zhǔn)確控制，以及選擇一種較適合的分配方案以防止氣體包裹在底部填充膠水中，并提高流動(dòng)速度，減少用來(lái)填充的總時(shí)間。

1.1 底部填充要求的膠水總量計(jì)算

首先應(yīng)當(dāng)計(jì)算所用底部填充膠水的總量。圖1所示的是一個(gè)底部填充后的封裝，充分填充封裝的材料總量是一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)算問(wèn)題，可以簡(jiǎn)單地用芯片底部的總體積減去凸點(diǎn)的體積。

其中，V——底部填充膠水總量

Vc——在芯片下的體積=長(zhǎng)×寬×高度

Vb——凸點(diǎn)（bump）體積＝單個(gè)bump的體積×總數(shù)

Vf——側(cè)面Fillet的體積，計(jì)算公式如下：

Vf（Fillet體積）＝{[（Fillet高度）×（Fillet寬度）×2×（Die長(zhǎng)度+Die寬度）]＋P/3×（Fillet寬度）2 ×（Fillet高度）}×（形狀因子）

形狀因子取決于底部填充膠水的類(lèi)型和潤(rùn)濕特征。高接觸角材料有低的形狀因子。表1中列出接觸角對(duì)應(yīng)的形狀因子，假定填充的Fillet形狀是完美的凹月形。接觸角信息可由底部填充膠水廠(chǎng)商提供。

表1 形狀因子

1.2 分配體積的容差（Tolerance）分析

為確定分配體積所允許的最大和最小量，必須考慮幾何偏差。對(duì)于任何給定的部件、芯片尺寸、凸點(diǎn)間隙，F(xiàn)illet的允許尺寸都會(huì)有所不同。當(dāng)需填充的間隙最小時(shí)，填充材料必須保持Fillet的體積，當(dāng)填充間隙最大時(shí)，填充劑在芯片底部流動(dòng)而使Fillet減小，F(xiàn)illet充當(dāng)了存儲(chǔ)空間的作用。圖2為min和max兩種情況。底部填充工藝所允許的最大量（USL）和最小量（LSL）的估算對(duì)于建立有力的過(guò)程控制非常重要，是用Cp和Cpk來(lái)計(jì)算工藝能力的第一個(gè)工作。目標(biāo)體積可以取UCL和LCL的平均值，如表2所示，F(xiàn)illet的形狀因子對(duì)分配容差有很高的敏感度。

可以看出：Fillet的主要作用是適應(yīng)不同芯片的分配間隙的變化；當(dāng)所有其它因素恒定時(shí)，越大的硅片有更嚴(yán)格的容差百分比，因?yàn)樾酒碌捏w積相對(duì)來(lái)說(shuō)要比Fillet要大很多；形狀因子越小，要求也越嚴(yán)格（與大的形狀因子相比而言），因?yàn)樾⌒螤钜蜃訙p少Fillet的體積；從上述來(lái)看，分配容差越精確，則Fillet容差會(huì)越嚴(yán)格；負(fù)容差（如表2中第4種情況）則表明在Fillet中沒(méi)有足夠的底部填充膠水以適應(yīng)芯片底部體積的變化。

Fillet對(duì)于應(yīng)力的分布和封裝失效有很大的影響，事實(shí)表明：倒裝芯片封裝上由于Die與基板之間的CTE不匹配而引起的熱應(yīng)力會(huì)隨著芯片尺寸而增大。最高的應(yīng)力發(fā)生在Die的拐角處，原因在于該點(diǎn)離Die中心最遠(yuǎn)。倒裝芯片常見(jiàn)的一個(gè)失效現(xiàn)象是Die的開(kāi)裂或Underfill材料與Die的分層，而且裂紋或分層會(huì)通過(guò)封裝互連結(jié)構(gòu)擴(kuò)散，并最終會(huì)引起開(kāi)路等缺陷 。

表2 分配容差舉例

由于應(yīng)力隨著距中心的距離而增加，填充范圍越大，應(yīng)力越大；而且增大的Fillet尺寸會(huì)引起在封裝應(yīng)力最高點(diǎn)處應(yīng)力更大，我們可以從中得出結(jié)論：保持其它條件不變，F(xiàn)illet尺寸的增大，會(huì)增大在封裝上的最大應(yīng)力；由于分配容差改變Fillet寬度，膠水體積上的變化會(huì)直接影響到封裝的可靠性。對(duì)倒裝芯片封裝還有其它應(yīng)力引起的失效機(jī)理，如彎曲和蠕變引起的應(yīng)力引起的失效，但在這些情況下Fillet尺寸的影響并不明顯。

1.3 底部填充膠水分配模式（Flow Pattern of Underfill）

底部填充膠水芯片底部的流動(dòng)主要依靠的是液體的毛細(xì)作用，液體流動(dòng)的速度是工藝研究的重點(diǎn)。過(guò)程時(shí)間、制造成本可以通過(guò)減少完成底部填充過(guò)程所需的總時(shí)間來(lái)減少。一般來(lái)說(shuō)，下列因素影響著底部填充膠水的流動(dòng)速率：

（1）低接觸角增大流動(dòng)速率；

（2）低粘度增大流動(dòng)速率；

（3）更小的間隙增大速率；

（4）更小的、更圓的填充顆?？梢蕴岣吡鲃?dòng)速率；

（5）加熱基板可降低膠水粘度從而增大速率，但過(guò)分高的溫度會(huì)引起填充膠水的永久固化或減慢、停止流動(dòng)；

（6）隨著填充距離的增加，也會(huì)導(dǎo)致填充速率的降低 ；

（7）凸點(diǎn)的影響：有一非常重要的現(xiàn)象就是相互之間有連線(xiàn)的凸點(diǎn)會(huì)增大流動(dòng)速率，這主要是由于增大了毛細(xì)作用的表面積，導(dǎo)致底部填充膠水沿著互連圖形進(jìn)行流動(dòng)，這一點(diǎn)很重要，因?yàn)樗c分配模式的選擇有直接關(guān)系。

底部填充膠水分配模式對(duì)流動(dòng)速率有很大的影響。

圖4所示是生產(chǎn)中常見(jiàn)的典型的底部填充膠水分配模式。當(dāng)分配底部填充膠水時(shí)，呈兩維方向流動(dòng)，膠水的流動(dòng)依賴(lài)于硅片的尺寸和形狀，互連凸點(diǎn)的形式、間隙大小、膠水和硅片的溫度。對(duì)于某一給定的封裝，最好的分配模式取決于綜合考慮這些困素。成功的關(guān)鍵是在應(yīng)用中靈活采用分配模式以使得填充迅速，但又不把空氣包裹在里面形成空洞。應(yīng)當(dāng)注意到的是底部填充膠水會(huì)沿著互連的凸點(diǎn)方向流動(dòng)，圖5所示的是對(duì)倒裝芯片U形分配后將空氣包在底部填充中的情況。

1.4 Fillet寬度的控制

Fillet的寬度對(duì)封裝可靠性有一定的影響。對(duì)于減少和控制Fillet 寬度是基于多種考慮，首先外觀(guān)的因素可能是一個(gè)最初的原因，由于板密度高，會(huì)有一些區(qū)域無(wú)法填充膠水。當(dāng)膠水進(jìn)行分配時(shí)，液體會(huì)潤(rùn)濕基板，被填充后通常在臨近的潤(rùn)濕區(qū)域會(huì)有一些殘留膠水（如圖6所示）。我們可進(jìn)行如下試驗(yàn)：用12 mm正方形的Die，并用足夠體積的底部填充膠水使之形成0.75 mm的Fillet。在該試驗(yàn)中的變量有：分配次數(shù)、分配圖形（一邊涂覆后再涂另一邊呈“L”形）、針管口徑和針的溫度，然后測(cè)量出殘留物的寬度。這里面兩個(gè)最重要的因素是分配次數(shù)和分配圖形（即分配模式）。表3中列出了測(cè)量的平均值，增大分配次數(shù)會(huì)減小殘留寬度。增大所有這些因素會(huì)減少單位長(zhǎng)度上所分配的underfill膠水的總量，然而針直徑的減小和溫度降低對(duì)減小Fillet寬度的作用并不大。通過(guò)綜合調(diào)整所有這些因素，可以最終使殘留寬度小于1 mm。

表3 underfill后殘留寬度

1.5 底部填充硬件的選擇

在考慮底部填充膠水分配容差的時(shí)候，還應(yīng)該充分考慮膠水分配的硬件設(shè)施，所以要從膠水分配精度要求的角度來(lái)選擇合適的硬件。目前，用于底部填充膠水分配的硬件主要有以下三種：氣壓注射式泵（Time/Pressure Pump）、旋轉(zhuǎn)推進(jìn)泵（Rotary Auger Pump）和線(xiàn)性活塞泵（Linear Piston Pump）。

如表4所示，每一種分配方法都有不同的特點(diǎn)，最精確的方法是線(xiàn)性活塞泵，由于它是正位移，所以底部填充膠水材料的粘度不會(huì)影響分配精度，這個(gè)特性在大批量生產(chǎn)中是相當(dāng)有用的。氣壓注射式泵的膠水流動(dòng)速率直接依賴(lài)于膠水的粘度、注射器的壓力和分配針頭的幾何形狀。在其它條件不變時(shí)，雙倍粘度會(huì)降低膠水流動(dòng)速率50%。螺旋推進(jìn)泵的流動(dòng)平衡相當(dāng)復(fù)雜，主要有兩個(gè)方面的物理特性：Drag Flow（正位移特性）和Pressure Flow（黏度相關(guān)的特性），舉個(gè)例子，用吸管可將液體從杯中吸走，這相當(dāng)于Drag Flow特性，如果保持一段時(shí)間，液體將慢慢地流走，這就是Pressrue Flow特性。螺旋推進(jìn)泵可以使雙倍粘度的膠水而流速只降低10%，這個(gè)性能比氣壓注射式泵用閥門(mén)控制要好很多。線(xiàn)性活塞泵的流動(dòng)平衡相當(dāng)簡(jiǎn)單，由于它是正位移，流速大小正比于活塞移動(dòng)時(shí)所分配的底部填充膠水的體積，它不依賴(lài)于粘度。表4是三種硬件的區(qū)別和比較。

表4 三種硬件的區(qū)別和比較

1.6 基板的溫度控制

倒裝芯片封裝體的溫度控制對(duì)于控制底部填充膠水的流動(dòng)非常關(guān)鍵，可以通過(guò)采用底部預(yù)熱的方法使Die和基板的溫度升高并保持在一定溫度，以利于膠水的流動(dòng)，縮短生產(chǎn)時(shí)間。采用加熱方法應(yīng)考慮：（1）加熱速率不能過(guò)快，否則會(huì)使封裝體產(chǎn)生較大的因熱膨脹引起的應(yīng)力；（2）保持溫度在一定范圍，以?xún)?yōu)化underfill（底部填充）膠水的流動(dòng)；（3）避免對(duì)under fill膠水的容器加熱，以提高膠水的使用壽命。表5列出了常用的四種加熱方法的特點(diǎn)。

表5 四種預(yù)熱方法的特點(diǎn)

2 結(jié)論

底部填充工藝涉及到的方面非常廣，其中包括了封裝的設(shè)計(jì)，如芯片尺寸、凸點(diǎn)間隙、互連情況等，以及底部填充膠水的材料特性、膠水的分配方案等多個(gè)方面，從上述內(nèi)容可以得出如下結(jié)論：

（1）底部填充膠水分配體積容許的范圍將直接影響到最終形成的Fillet的寬度；

（2）底部填充膠水的材料特性對(duì)分配容差和Fillet寬度也有很大的影響；

（3）Fillet寬度最終會(huì)影響到封裝的長(zhǎng)期可靠性；

（4）底部填充膠水的分配模式會(huì)直接影響到氣泡的形成、underfill工藝的速度和填充物的最終殘留。在底部填充工藝的研究上還有很多需解決的問(wèn)題，例如膠水材料的選擇、材料的模量和可靠性的關(guān)系、底部填充膠水填充顆粒對(duì)物理特性的影響、膠水材料與基板及凸點(diǎn)等的相容性等等一系列問(wèn)題，都有待于我們進(jìn)一步的探求。