（机械设计及理论专业论文）芯片级封装底部填充胶水的评估.pdf

一0 级封然嵌部城充胶水的订估 捅复 摘要 底层填充技术应用于倒装芯片热膨胀系数配合的最小化，它也被扩 展应用到增加c s p ( c h ipsc a lep a ck a ge 芯片级封装) 的机械强度。 随着移动电子产品的密度越来越高，底层填充技术逐步提高，越来越多 的底层填充材料被研发。为了降低产品的价格并增加产品的可靠性，底 层填充材料的性能评估已成为亟须进行的研究工作。 本文研究可以返修、不可以返修和四角绑定三种底层填充胶水对 c sp 机械强度的影响，其中包括不可返修的底层填充胶水五种、可返修 的底层填充胶水二种、四角绑定底层填充胶水一种。研究目的是掌握底 层填充胶水的应用性、安全性及可靠性，研究方法是应用三种底层填充 胶水组装c s p ，再对p c b a ( c h ips c a le p a c k a f t ea ss e m b ly 印刷线 路板组装) 进行跌落、剪切、弯曲和热冲击等测试，以评估各种底层填 充胶水的可靠性。 本文的研究工作对各种底层填充胶水的应用性、安全性及可靠性进 行了量化评价，为底层填充胶水的选用提供了依据。 关键词：底层填充胶水；机械强度；可靠性；工艺 作者：苌凤义 指导教师：钱志良 ! ：坐! ! ! 竺! ! ! 望! 鲤! ! ! 型理塑! ! 虫坐! ! ! 壁尘! ! ! 生! ：兰! 塑! ! ! ! ! 型 a b s t r a c t u n d e r f i l lt e c h n o l o g yh a sb e e nu s e dt om i n i m i z et h em i s m a t c ho ft h ec o e f f i c i e n to f t h e r m a le x p a n s i o n ( c t e ) i nf l i pc h i pt e c h n o l o g y a ne x t e n s i o no f t h i sa p p l i c a t i o nh a sb e e n u s e dt oi n c r e a s et h em e c h a n i c a ls t r e n g t ho fc h i ps c a l ep a c k a g e s ( c s p s ) a st h ed e n s i t yf o r m o b i l ee l e c t r o n i cp r o d u c tb e c o m e sh i g h e ra n dh i g h e ra n du n d e r f i l lt e c h n o l o g yi m p r o v e d ， m o r ea n dm o r eu n d e r f i l lm a t e r i a lh a v eb e e nd e v e l o p e d i no r d e rt om i n i m i z et h ec o s to f p r o d u c ta n dm a x i m i z ei t sr e l i a b i l i t y ，e v a l u a t ea n dd e v e l o pp r o p e ru n d e r f i l lm a t e r i a la n d p r o c e s sb e c o m e sn e c e s s a r y t h i sp a p e rw i l ld i s c u s st h ei m p a c to fn o n - r e w o r k a b l ea n dr e w o r k a b l eu n d e f i l l ，a n d c o m e r - b o n d i n go nt h em e c h a n i c a ls t r e n g t ho fc s p s i ti n c l u d e s5 k i n d so fn o n - r e w o r k a b l e u n d e r f i l l ，2 k i n d so f r e w o r k a b l eu n d e r f i l la n do n ek i n do f c o m e rb o n d i n gu n d e f f i l l t h eg o a l i st ou n d e r s t a n dt h er e l i a b i f i t ya n dd e g r e eo f p r o t e c t i o ne a c ho f t h e s eu n d e r f i l lm a t e r i a lo f f e r s p c b a r e l i a b i l i t yt e s t sa l eu s e dt ov e i l f yt h er e l i a b i l i v o f c s pu n d e r f i l l i tp e r f o r m e d i n c l u d e d r o p ，s h e a r , b e n d i n ga n dt h e r m a ls h o c k t e s t s t h i sp a p e ra l s og i v e sl o t so f d a t aa b o u ta p p l i c a t i o n ，s a f e t ya n dr e l i a b i l i t yo f t h e s eu n d e f i l l g l l l e i tc a nb eu s e dt os e l e c ta v a i l a b l eu n d e r i f l lg l u e k e yw o r d s ：u n d e r f i l l ，r e l i a b i l i t y ，m e c h a n i c a l ，p r o c e s s i i w r i t t e nb yc h a n gf e n g y i s u p e r v i s e db yq i a nz h i l i a n g 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 学位论文独创陛声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏 州大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本 声明的法律责任。 研究生签名：j 礅日 期：j 塑堕i 上 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论 文合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论 文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的 保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的 全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名：j 茎! 量l 选日期：塑q ：玉 导师签名：龋盎鞋日期：2 1 1 互( 一 芯终级封装簌部填充胶水台勺详俄 辩l 章i 青 第1 章引言 1 1 缩略语筒介 本文研究芯片级组装底部填充胶水的评估问题，其中涉及较多的是与 电子装置相关的繁杂术语，为避免繁杂术语的反复出现，先列出本文中 一些繁杂术语的缩略符号如下： s m t 一s u r f a cem 0 un tt e c hn 0 1o g y ( 表面贴装技术) p c b 一一p r in t c ircu i tb 0 a rd ( 印刷电路板) c s p 一一c h ipsc a lep a c k a ge ( 芯片级封装) i m c 一一in te r m e t a l l i cc 0 m p o u n d ( 金属间化合物) 0 5 m i l lc s p 一一c h ips c a lep a c k a g ew h ichp ir lp i tchis 0 5 m i l l ( 0 5 i l l m 间距的芯片级封装) t i 一一t ex as 工ns t r u m e n t ( 德州仪器) t cw ir e 一一t h e r i l l a lc 0 t l p lew ire ( 热电偶导线) m s d s 一一m a te r ia 1 s a f e t y d a t as hee t ( 材料安全数据表单) p c b a 一一p r i i l tc i rc u i tb 0 a r dass e m b ly ( 印刷线路板组装) 1 2 芯片级封装 图1 + 1 半导体封装密度 国内封装史始于19 6 5 年第一只国产晶体管研制成功之后。l9 5 5 年， 随着第一块国产实用化集成电路的问世，半导体集成电路封装也由此拉 甚片级封装底部填充胶水的计估 第】窜j 旧 丌了序幕。封装形式也由早期的金属封装或陶瓷封装逐渐向塑料封装方 向发展。伴随半导体集成电路产业的不断发展，高可靠、高密度、高导 热、多引脚、微问距、小尺寸以b g a 、q f p 、s o p 、s o t 和片式钽电 容为代表。图1 1 表明了半导体器件的封装密度。由图可见，芯片尺寸 封装c s p 技术已成为当今研发最活跃、应用最广泛的封装技术。 1 3 底部填充技术简介 随着电子产品的小型化趋势，c s p 的问距也变的愈来愈小。因为有 较小的焊接高度，由机械应力引起的剪切力也使得c s p 极其容易断裂。 底部填充技术，是指利用底部填充胶水完全地填充p c b 和c s p 之间地间 隙。c sp 底部填充组装工艺利用在芯片下填充环氧树脂，经固化形成的 收缩应力将焊点与基板焊区机械联连( 并非焊接) 。 c s p 底部填充组装工艺的主要作用是减小硅芯片与其贴附的基板 之间的总体温度膨胀特性不匹配所产生的附加应力的影响。对通过芯片 引脚与p c b 联接的传统芯片封装，上述热胀系数不匹配引起的应力可由 芯片引脚的自然柔性所吸收。对于用直接附着方法( 如锡球阵列) 的芯 片级封装，焊锡点本身是结构内的最薄弱位置，最容易在热胀系数不匹 配弓i 起的应力作用下失效。 c s p 封装底部域充工教的第二个作用是防比潮湿气体的侵袭和灰 尘蔑其它形式懿异穆静污染。 c s p 组装底部填充工艺豹成功取决予许多因索综合作用的结果。如 缀装过耩串c s p 霹球蠢无穆璇封装攒坏、菘失或交形、潲气彩懿，雏装 用p w b 肖无变形，阻焊层质擞，微遴孔质嫩好坏，填充材料性能，填充 材料霹纯残余威力及瀛注系统对瑛究材料体积酶准确控制，流浪系统静 r r 等。因此豢求产懿设计糟、制造工艺工程师、填充树辩配鬻工艺师 和滴注系统供威商等的共同会作和努力，才能取得性能良好，工艺过程 受控的c s p 底部填充缀装工慧。 c s p 之所以受到极大关淀，是由于它提供了眈b g a 更高的缀装密度， 露托采用倒装芯片约缎装密度 氐。憾是它熬缀装工艺却举像倒装芯片那 么复杂，没有倒装芯片的裸芯片处理问题，基本上与s m t 的组装工艺相 一致，势基霹以像s 耩墨那样遴孬预测和返工。垂楚由予这些无法比拟豹 优点，才使c s p 得以迅速发展并进入实用化阶段。在手机的应用中，底 芯级封杖底部填充胶水的计估笫l 章r j 部填充已经在热冲击和机械可靠性方面显示出非常明显的优势。使用不 良或不合适的底部填充胶水会造成整个p c b a 的报废，一种可以返修的胶 水由此诞生，角落绑定胶水也被评估应用。这是在元件边角下面应用胶 点来增强c sp 机械强度的另外一种解决方法。角落绑定和标准的s m t 工 艺兼容是它主要的优点。 1 4 目的 诚如众人所知，底部填充胶水是保证手机可靠性很重要的一种材料。 随着底部填充胶水的种类日益繁多，评估和选择合适的底部填充胶水也 逐渐成为迫在眉睫的任务。此次胶水评估主要集中在可靠性、可生产性、 价格、服务等等。可靠性评估包括跌落测试、弯曲测试、剪切测试和热 冲击测试。评估的胶水有五种不可返修的底部填充胶水，两种可返修型底 部填充胶水和一种角落绑定的胶水。不采用底部填充胶水的情况也在评 估范围内。 1 5 底部填充胶水的评估范围和目标 本文的研究内容涵盖s m t 组装工艺、底部填充工艺、可靠性测试以 及评估的标准。这次总共评估了八种底部填充胶水( 五种不可返修的底部 填充胶水，两种可返修的底部填充胶水，一种角落绑定底部填充胶水) 。 底部填充生产工艺的质量可以用诸如热冲击、跌落、剪切和弯曲的可靠 性测试来检验。可靠性测试后，可以用染色实验和切片分析来观察焊点 的完整性。这次胶水的评估涵盖机械特性、服务、价格以及生产特性( 如 生产周期) 。评估的目标如下： 1 )比较五种不同返修的底部填充胶水，并且选择最好的一种。 2 )比较两种可返修的底部填充胶水，并选择晟好的一种。 3 )比较底部填充胶水和角落绑定胶水。 4 )比较可返修胶水和角落绑定胶水的可返修性。 5 )比较底部填充的c s p 和无底部填充的c s p 的不同之处。 若h 缳封装j 最帮填充较承曲冲编籀2 章7 估准刘 第2 耄评估准剡 与其它莺要材料的评估相同，底部填充胶水需要从质量、价格、 工艺、服务、安全等多个指标综合评估。对于各指标的相应权重。胶 水的质量对于p cb a 产品的品质是最重要的，它的权重占这次评估的 54 ：成本控制是企业发展的关键环节，其相应的权重约为2 8 ： 其它因素的权重为18 ，其中工艺性、安全性、服务各占6 。 底部填充胶水的质量集中体现在保护csp 焊点的可靠性方面。而 了解焊点的可靠性原理和c s p 的应用是评估底部填充胶水的主要准 则。掌握焊点的热性能和机械强度原理，提高c s p 的焊点可靠性，主 要通过改善csp 与p cb a 板联接的机械强度来实现，而联接的机械强 度可用剪切、跌落、弯曲等测试方法测试，测试结果能作为评估底部 填充胶水质量的指标。 剪切、跌落、弯曲等可靠性测试的测试板对于底部填充胶水的评 估是到至关重要的，客观公正的评估需要设计专门的测试板和测试元 件，菊花链的设计理念可以实现这种需求。通过菊花链，可以快速发 现焊点失效的位置，排除胶水以外其它因素的影响。 在底部填充胶水的评估过程中，第一步是制作p c b a 测试板。为 避免环境、温度、机器和其它因素的不一致造成焊点质量的差异，影 响评估的正确性，本文利用相同的s m t 参数、在相同的组装条件下组 装4 8 套p c b a 测试扳。其中，使用8 种( 五种不可返修的、二种可 返修的、一种角落绑定的) 胶水分别底部填充了四套p c b a ，共计32 套p c b a ：另外，用3 种可返修的胶水( 种角落绑定胶水也是可返 修的) 采用返修工艺组装分别组装了四套p c b a ，共计12 套p c b a ； 剩余的4 套p c b a ，不用胶水进行底部填充，作为对比测试板。同时， 为防止测试板中存在不良的p c b h 板，每种工艺各多组装了1 套p c b a 备用板。 第二步是对p cb h 测试板进行剪切、弯曲、跌落和热冲击等可靠 性测试，并对经过测试的p c b a 扳的焊点进行切片分析。 4 芯片级封装底部填充胶水的评估麓2 章r i 估准9 l i j 最后，对各种测试的测试数据进行统计和分析，评估出各个单项 指标的加权分值，并计算出每种胶水各个单项指标的加权分值之和， 选出加权分值之和最高的两种可返修的底部填充胶水和两种不可返修 的底部填充胶水。 考虑到无铅工艺和0 5 m m c sp 代表最先进的s mt 组装发展方向， 本文的底部填充胶水的评估采用了无铅工艺和0 5 m m csp 的s m t 组 装。 2 1 微电子封装互连焊点的可靠性 电子元件和组件在环境温度变化( 或功率循环) 时，由于芯片与基 板、元器件与印制电路板材料之间存在的热膨胀系数差，在焊点内产 生热应力，应力的周期性变化会造成焊点的疲劳损伤；又随着时间的 延续，会使焊点产生明显的粘性行为，导致焊点的蠕变损伤。 改善焊点可靠性的途径主要有提高焊点的力学性能、开发c te 匹 配的材料、焊点形态优化设计以及改善元件布局等。 2 1 1 焊点的力学本构方程 s n p b 是低熔点金灏，在翔载条徉下，它静变形兵蠢弹经、塑整、 蠕变共襻的特征，对踅连焊点进行应力应交有限元分拼，其荧键问题 怒建立s n p b 在船载条件下的应力馥变关系模餮，帮本构方程。所建立 的本构方程应熊合理媳描述s n p b 非弹性艇变速搴与应力、温度和微观 缎织的依赖关系，以j 凝微观组织随焊点变形而发生的演化过程。这难 袋翅婺爨牲彝蠛交分淫考虑静方法，对s n p b 会金鲍戆弹塑憔接述稷 应地可理解为“弹塑性+ 蠕畿”，襄验证明：上述方法具有良好的精 凄。 1 弹性部分 t t o oke 定律嚣张譬形式为： 南= 孚哓一言良岛 。下露一i 咚 式孛，8j ，楚k r o n e r ek erd e ia t a 簿号。 2 塑性部分 5 苎绂封装底部填充胶水的评估 第2 章评估准则 对于稀塑性硬化材料，取m is es 屈服条件，pr andtl reuss 流 动法她。则塑性应变的增量强度可接述为： 挺；鼯聂= j 2 j i 匿t j 塑性部分的应力应变关系可描述为： 薯地毒l 3 蠕变部分 蠕变本质上是一种率相关的塑性变形，可以用pandt 卜reuss 流 动增量理论描述。 蠕变应变率与蠕变势能豳数存在如下关系： “z c 掣型 o a 式中， c 是与加载历史有关的待定参数，是类似于塑性势能函数的 蠕变势能函数。 假设材料为各向同性、不可压缩且服从v 0 nm ises 屈服准则材 料，则： 型盟。 0 6 t8 气 q 其中，j 。为应力偏张量的第二不变量。 将sn p b 的蠕变规律用幂指数型稳态蠕变规律描述： 擎：d 赞i 糍 r 舯、 则 。可写为： 。羔d o 吁i 案i 2 于是，以张量表示的snp b 合金弹塑性蠕变增量型应力应变关系 可描述为： 毫= 半岛一量靠磊+ 3 嘶毒岛一- ；d 冒一e 4 育；& 量- f 吩一i 。i “嘶蔷* 三脚? 8 3 芯j 缎封装肢部填充脞水的计f 第2 章仆估准则 2 1 2 热循环过程呻l 焊点内部的应力、应变响应 在热循环过程中，互连焊点各部分将产生周期性的膨胀与收缩。 由于焊点与元件及基板材料的热膨胀系数不同，焊点会受到不同程度 的剪切和拉伸，在焊点三维结构中应力应变呈多轴状态分布，因而在 分析焊点在热循环条件下的力学行为时，采用表示综合应力强度的等 效应力和等效应变来描述焊点内部的应力应变分布状态。等效应力可 用应力张量的分量描述为： 。：霉b _ f 七j if i i ) ：+ 6 睡一，：一争 等效应变可用应变张量的分量描述为： s ：舒铲”1 2 啪吲二+ 私州三商j 2 2 芯片级封装的可靠性 csp 元件焊点的可靠性也是如此，包含有：机械性冲击及振动、 制造过程中受化学性温度环境的影响、使用环境下的环境应力等。 2 2 1 机械可靠性 图2 1c s p 材料不葸翻 影响焊点可靠性的主要失效机理是由于可诱发蠕变和疲劳等热一 机械性工艺造成的损伤蓄积引起的。由于回流焊工艺的焊接温度较高， 回流焊工艺后焊料接合处由于温度变化会产生很大的剪切应力，上述 剪切应力会导致元器件与印制电路板之间焊接失效。 剪切应力对焊料接合处影响是显著的。经研究，剪切应力与焊料 接合处的形状密切有关，并与接合高度成反比。 7 笛h 绂封铁线部填充胶水f l 匀计什 2 2 2 热循环可靠性 要对 的时间。 缩短各自 因不同材 然焊料接 实际使用状态下的器件做 所以封装品要通过加速温 高低温的曝露时阳j 。通过 料间热膨胀率不匹配产生 合处蓄积的损伤会增加， 应力就会缓和。 需的时间，那就 积不会使接合处 超过实际使用温 失效模式。 如果温度上升下 是真正典型的加速 的应力完全达到缓 度的试验会产生多 第2 誊件估准蛐 寿命试验，则需要与设计寿命相当 度循环来试验，即扩大温度范围、 扩大温度范围，焊料接合处曝露于 的剪切应力中。扩大温度范围，虽 但经历一段时间后，焊料接合处的 降时间或曝露时间小于应力缓和所 试验了，也就是说试验中的应力累 和状态。但是我们也要认识到大大 种在实际使用过程中不可能发生的 2 2 3 底部填充增加焊点的可靠性 在芯片底部填充树脂填料，是提高芯片组装品可靠性的另外一种 非常有效的方法。适当的底部填料可以分散因热膨胀系数不同引起的 应力，其结果可以缓和互连部分应力，延长寿命。 基材 图2 2c s p 腻部填充剖面圈 底舔壤充豹c s p 未要应麓在倭攮式产鹣串，这些产晶湿度交耗举 大。这就使得机械抻港成为影响c s p 可靠性的主要因索，如乎机跌蒋 就是如此。困戴在改普c s p w 靠性方面，低e t e 胶承并不魏精结性能 好的胶水。使用底都填充粘结元彳牛觏p c b a 扳，势鹅祝城应力改善可靠 性是此类c sp 组装的目标。 2 3 测试板设计 兰竖墅羔堡堕翌塑燮塑! ! ：堡 一 墨! 兰堡笪堡型 为了快速评估底部填充胶水的可靠性，专门设计了一种测试板。 这种测试板是评估工艺中最重要的工具。它通过微孔技术建立了焊点 的菊花链结构，这样可以实时检测焊点的开路，所有的可靠性测试都 以此为基础进行试验。 图2 ，3c s p 可靠性评估的菊花链电路图 p c b 采用a l iy h ( 每层都可以用微孔连接) 工艺和微孔设计， 这样可以极大的减少p c b 板的面积和厚度。p c b 板表面镀层采用化金 处理，尽量避免焊盘氧化或共面性的闯题，排除因其它因素对底部填 充胶水可靠性的影响。 图2 40 5 m m c s p 测试板 9 芯”级割装底部填充胶水的许估 第2 章计估准 配合pcb 扳的设讣，选择相应的带有菊花链设计的csp48 年【i c sp288 元件。这样，如果有线路或者焊点开路，可以顺利的找到对 应的位置，以便进行进一步的失效分析。 c 0 4 84 0 3 1 nd q i s vc h n i nn tlt s t 图2 5c s p 4 8 元件菊花链 6 q j 2 8 8 1 2 0 p l md o j s yc h o i nn e tl 塔t 1 一b 1a 1 4 - b 1 4 a 2 一舱 a 1 5 - b 1 5 a 3 一b 3a 1 6 一n 1 7 a 4 - 1 4 b 1 6 一日i 7 a 5 一b sc 1 6 一c 1 7 a 6 一b 6i ) 1 6 一d 1 7 a 7 一b 7e 1 6 一e 1 7 a 8 一b 8f 1 6 - f 1 7 a 9 - b 96 1 6 一g 1 7 a i o b 1 0h 1 6 一h 1 7 a l l - b i i j 1 6 j 1 7 a 1 2 一b 1 2k 1 6 一k 1 7 a 1 3 3 1 3l 1 6 l 1 7 f 三4 6 i 一6 己 f 1 一f 2 _ 己 。一 j c l c 己 c 4 5 一d 4 d s 5 3 5 4 g r o u p bc 4 一c 8 d 3 一d 8 ， 3 一 8 ， f 3 一f 8 ，g 2 一g 8 h 2 - h 8 ，j 2 一j 8 o r o u p 2 ：c 9 一c 1 5 b 9 - d 1 5 ，e 9 一e 1 5 f 9 一f 1 5 g 9 一g 1 5 h 9 一h 1 5 ，j 9 一j 1 5 g r o u p 3 ：k 3 一k 9 l 3 一l 9 ，h 3 一h 9 ，n 3 一n ， p 3 一p 9 ，q 3 一q 9 g r o u p 4 ；k i o k 1 5l i o - l 5 m o m 1 5 ，n l o n 5 p i o - p 1 5 o 】o - q 1 5 图2 6c s p 2 8 8 元件菊花链 2 4 评估项目及流程 本文避行鳃底部填充胶水的谬悠，包摆胶水匏规城特性、胶水的 价格、安全性及全球供货商的服务镣诸多方面。考虑质缀和价格是e ms 行韭豹未要嚣繁，兹霹纛蛙秘徐格瑟占毪夔最大，基本定义霹靠瞧为 价格分假的两倍。底部填充胶水的评估范围具体如表格2 1 ： 10 己3 4 5 7 7 7 7 7 6 5吨岫邮嵋书呐书七吒吨吨艇昵们m的的盯眄 2 2 2 p 2 2 2 0 k j h g r d c 一一一一一一一一 k j h 6 r d c 8 7 6 5 4 3 2 2 2 2 2 2 2 s s s s s s s r 0 p n h l 一一一一 一一 一一一一一一 随时盼肌射融叭吼mmu 7 7 7 7 7 6 5 4 h n p 0 s s s s s s s s s 一一一一一一一一一一一一一 6 6 6 6 7 6 5 4 3 2 0 9眦m附邮附：呈附m呲刚哪的 仃坫巧n坨n m 9 8 7 6 5 4 3 0 芯”缎判装底部填充胶水的详 第2 章计仙准则 表21 底部填充胶水评估范围 i 评估范围 可靠性 价格工艺安全服务 单项总分 28l5333 评估总分5 2 如2 2 3 节所述，使用底部填充工艺增加csp 的可靠性主要表 现在改善机械性能方面。而剪切应力又是焊点可靠性最重要的指标， 跌落和弯曲是消费电子产品中通常的现象。当然，热冲击依然是评估 可靠性的一个重要指标。可靠性中评估中各项指标的分值如表2 2 ： 表2 2 底部填充可靠性评估范围 | 可靠性评估剪切 跌落弯曲热冲击 l 单项总分 l285 3 | 可靠性总分 2 8 从而，得到底部填充胶水的评估流程如以下框图所示： 厢网 i 评估一 l、j 图2 7 底部填充胶水评估流程 2 5 评估矩阵 设计合理的评估矩阵，按照矩阵的顺序正常进行组装测试，可以 避免一些影响可靠性的不稳定因素。测试中，按每种工艺各准备1 套 备用板，防止有可能存在的不良测试板破坏正常的评估流程。采用8 1i 型! 望垫垫壁塑鉴垄鉴查塑鲨笪 笙! 主堡竺竺型 种胶水进行底部填充的8 套p cba 板、3 套采用返修工艺底部填充的 p cba 板和l 套未用胶水底部填充的p c ba 板，共l2 套不同种类的组 装测试板构成测试组，由于要进行剪切、弯曲、跌落和热冲击等四 种可靠性测试，所以制作四组、共48 套p c b a 测试板。loctite3513 、 l 0ctite35l5 和f p 6l00 是3 种可以返修的底部填充胶水。具体s m t 底部填充组装和可靠性测试流程参照图2 7 。 表2 3 底部填充胶水评估矩阵 h 既l a 底部填充底部填充 流程 可靠性测切片切片元 序号 胶水元件试澜试件 1 a 热冲击 l b 跌落 1 c s h 芪部填充一可靠性测试 弯曲 1 d l o c t i t e 3 5岱p 4 8 剪切 n n 1 e1 3 c s p 2 明 热冲击 1 f s 盯一底部填充一返修一跌落 1 gs m t - 底部填充一可靠性测试 弯曲 i h 剪切 2 a 热冲击 nn 2 b s g r ( 点胶) 一可靠性测试 跌落 2 c 弯曲 y u 1 0 4 2 1 l o c t i t e 3 5 c s p 船 剪切 nn 2 e1 5c s 嗍 热冲击 2 f s m t ( 点胶) 一返修一 跌落 2 g s m t ( 点胶) _ 可靠性测试 n n 弯曲 2 1 t 剪切 3 a 热冲击 3 8 s 砌卜底部填充一可靠性测试 跌落 3 c 弯曲 3 d f p 6 1 0 0 c s p 4 8 ，a s 剪切 nn 3 ep 2 8 8 热冲击 3 f s 枷h 蘸部填充一返修一跌落 3 gs m t _ 底部填充一可靠性测试弯曲 3 h 剪切 4 a 热冲击 yu 3 0 4 4 b l o c t i t e 3 5 c s p 4 8 s 啊t _ 底部填充可靠性测试 跌落 4 c 6 3c s p 2 8 8 弯曲 nn 4 1 剪切 5 a热冲击 nn 5 b z y m e t x 6 8 岱p 4 8 s m t - 底部填充一可靠性测试 跌落 y u 3 0 4 5 c 2 - 5 l vc s p 2 鹋 弯曲 nn 5 d剪切 6 a热冲击 nn 6 b e t 2 1 6 c s p 4 8 s f r - 底部填充一可靠性测试 跌落 y u 3 0 4 u 3 0 l 6 c c s p 2 8 8 弯曲 u 4 0 4 6 1 )剪切 nn 匕“级封装底部填充胶水帕w 估 第2 章计估准则 7 a 热冲1 j 、 7 b c s p 4 8 跌落 a l p h a l 5 7 2s m t 一底部填充一可靠性测试 7 c c s p 2 8 8 弯曲 y u 4 0 4 7 d 剪切 n 8 a 热冲击 8 b s t a y c h i p 3 c s p 4 8 s t 一底部填充一可靠性测试 跌落 、 n 8 c 0 7 5c s p 2 8 8 弯曲 8 d 剪切 9 a 热冲击 kn 9 b 无胶水 c s p 4 8 s m t 一可靠性测试 跌落 y u 1 0 4 u 1 0 1 9 c c s p 2 1 8 弯曲u 4 0 4 9 d 剪切 kn 2 6 本章小节 本节概述了底部填充胶水的评估准则，主要分析了半导体封装特 别是csp 的可靠性，从c sp 的可靠性和应用，得出评估csp 底部填 充胶水的方法和各种评估项目的权重。设计了菊花链测试板，定义了 测试流程和评估矩阵。为组装、测试和评估奠定了基础。 羔型壁塑型鲤坌壁坐塑堡丛一 塑! 童塑魁丝鲨鱼 第3 章材料及设备 组装前需要检查所有的材料和设备，防止它们对焊点的影响而造成 焊点可靠性的不一致。 3 1 底部填充胶水与装配设备 在采用底部填充装配p c b 的过程中，使用的设备较多，各工艺所使 用的设备及其关键参数见表3 1 ： 表3 1底部填充胶水评估使用的设备清单 工艺设备 物料关键参数 i2in ch 金属刮刀 焊膏印刷 m p m 5m i1 模板 焊膏高度检查 l s m30 0 焊膏高度和体积 前灯系统l s i 照相 贴片元件q p 242 e 版本型号233 回流焊 b t u p a r a 9 0 n15 0 电子测试m u l t i m e te r 所有p c b a 视觉观察 3 0 x m ic r o s c o p e 所有p c b a x r a y 检查 n ic0 1e t14 0 0 i 所有p c b a h p5 d x 系列 5 d x 检查一块p c i 3 i ii53 0 0 底部填充 m 6 20 a s y m tek m 0 de l ：m e tc a lm x 50 0 s 返修 t i pt y p e ： s t t c i4 0 在底部填充胶水的评估过程中，所用的底部填充胶水和焊膏的牌号 和成分等见表3 2 ： 表3 2焊膏及底部填充胶水 焊膏底部填充胶水 不可返修的底可返修的底角落绑定底 供应商：i n d i u m 部填充胶水部填充胶水部填充胶水 来料号：n c s m q 2 3 0 l o c i i t e 3 5 6 3f p 6 1 0 0l o c i i t e 3 5 1 5 合金成分： o h m c o a t l 5 7 2l o c t i t e3 5 1 3 9 5 5 s n 3 8 a g o 7 c u 金属含量：8 9 3 s t a y c h i p 3 0 7 5 颗粒太小： z y m e t x 6 。8 2 5 l v t y p e 船( 一3 2 5 5 0 0m e s h ) e 1 2 1 6 蔓! 芏塑i ! 釜堕型攫壅堕生鲤! ! 笪 3 2 元件和p c b 板 3 2 ，l 元馋 旃3 章村料驶设蔷 在底部填充胶水的评估过程中，采用了二种不同型的电子元件，元 搏懿羹装形式及弓 骚鼗等霆表2 3 ： 表2 3csp 元件信息 序 封装引脚元件引脚引脚引脚 贴片位置 元件贴片数( 单片 号 形式数 大小 间隔直径连接供应商 p c b ) u 1 0 l 菊花u 2 0 l lc s p 4 84 84 x 4 m m2 0m i ll lm i l t i 4 链 u 3 0 1 u 4 0 l u 1 0 4 菊花u 2 0 4 2c s p 2 8 82 8 89 x g m m2 0m i l1 1m i l t i4 链 u 3 0 4 u 4 0 4 两种元件外观见图3 1 图3 1c s p 元件的外观 3 2 2p c b 板 在底部填充胶水的评估过程中，采用了一种p c b 板，p c b 板的规格、 供应商等见表3 4 ： 表3 4p c b 信息 l 序号 来料号 焊盘大小 镀层厚度大小数量 p c b 供应商 i 1s t c - 1 0 0 0 1 2 0 3 9 4 0 2 8 mn i a u1 0 0 皿m1 3 4 1 8 0 m m 4 8i b i d e n 表3 5 单片板上的元件数量 序 封装形式 数量i p c b 号 1 c s p 4 8 4 2 c s p 2 8 8 4 t o t a l 8 芭、片级封装蛏都填充胶水的浮怙 第3 章材料鼓设箭 3 3 物料检查 在组装测试仪器之前，对空p c b 板进行10 0 的检查，以确保不存在 任何不可接受的隐藏缺陷，比如焊盘缺失、焊盘污染、线路污染、板面 变形、焊盘氧化等。对空p c b 板进行检查前，先用1 6 0 为p c b 标序。 在来料检查中，发现了一些存在于p c b 中的缺陷，这些p c b 都应作 报废处理，具体缺陷如： 1 ) p c b 的焊盘污染如图3 2 所示： 图3 + 2p c b 的焊盎污染 2 ) p c b 的线路污染如强3 。3 掰示： 翻3 3p c b 的线路污染 3 ) p c b 的焊盘脱落如图3 4 所示： 圈3 4p c b 浆焊盘脱落 c s p 是湿度敏感元件，瀑敏等级为3 ，因此，在处理c s p 的过程中 i 6 ：兰：丛丝i 茎堕塑! 望奎墼垄盟! 王丛 翌! 童堑坠些丝墨 必须遵。、湿度敏感元件控制规程。 印刷钢网信息( 请参见附件3 ) 温度曲线测试板将用于检查回流焊曲线( 参见图3 5 ) ，总共有三个 测温头，分别安装在p cb 板对角线上，避免温度的不均匀和测试头有问 题。 图3 ，5 温度曲线板 3 4 本章小结 本章说明了底部填充胶水评估中使用的焊膏、底部填充胶水、c s p 元件和p c b 板等材料及底部填充工艺所用的设备。 在底部填充胶水的评估过程中所用元件都进行了l0 0 的检验，从而 排除了元件和材料的隐藏缺陷对底部填充胶水评估的影响。 塑燮塞塑堡垄壁查塑鲨笪 笙! 量型! 些堕塑堕垄工兰 第4 章s m t 及底部填充工艺 为了评估各种底部填充胶水和角落绑定胶水的应用性、安全性及可 靠性，在无铅0 5 m m c s p 组装工艺流程后，采用目前市场上供应的五种 不可返修的底层填充胶水、二种可返修的底层填充胶水、一种角落绑定 胶水实施了底部填充工艺流程。 4 1 组装设备 为确保在底部填充胶水评估中的设备环境和材料的一致，排除人为 因素的影响，从2 0 0 4 年7 月16 日到2 0 0 4 年7 月22 日，在旭电的苏州 工业园区生产线上，在相同的设备参数设置情况下，对相同的元器件和 p c b 板实施了无铅o 5 m m c s p 组装工艺和底部填充工艺。贴片和检查的 具体时间及相关信息见表4 1 ： 表4 1 组装生产线信息 砸：旺1 2 4 2 ： 刚：l i h e 2 日期：7 1 啡 l i h e 2 l i n e , 2 7 1 9 0 4 鲫组装b u i l d i n g2布线 c ：a m r l o t 鹧0 0 ： 日期： a s 毗e l 而2 0 ： 日期： l i n e 57 1 6 0 4l i n e 41 雹 瞄 f 鼬码鼍 x - r a yb u i l d i n g4 日期：7 1 9 0 4 鄙 b u i l d i n g2日期：7 1 9 0 4 4 2 缀装工艺流程圈 组靛工艺流程图檄述了c s p 的s m t 组漱工艺，四角绑定工艺和底部 填充工慧。 4 2 1 流程总鞠辍述 在进行c s p 组装工艺流穰和底鄢填充王艺流稳前，对元件和p c b 板 避行了1 0 0 豹授奎，封 除毒缺陷或被污染豹元器传，确保各静底部壤党 胶水的评估具有相同的元器件性质弃1 1 相同的c s p 缎装条件，从而确保评 继戆正确往。元器箨瓣检套懿括元器誊 懿黪毽检囊粒电孑溺试，检查不 含格的元器件赢接报废，不张进入下工热流程。 1 8 占h 级封毡底部填充投水的订什 铺1 币s m t 肚底部填充r 艺 底部填充胶水评估的总j 二艺流程图见图4 l 图4 1 工艺流程总图 4 2 2s m t 流程图 通过检查的元器件进入c sp 组装工艺流程，该工艺流程在旭电( 美 国) 苏州公司的s m t 组装生产线上进行，使用的焊膏为i n d iu ms m q23 0 无铅免清洗焊膏。 不可返修和可返修底部填充工艺所采用的c s p 组装的组装工艺流程 如图4 2 所示： 图4 2s m t 组装工艺流程 1 9 芯片级封姨底部填充般水的忤竹 节4 辛s t 技底部填充j 岂 角落绑定底部填充工艺所采用的c s p 组装的组装工艺流程如图4 3 所示： 图4 3 角落绑定工艺采用的s i l t 工艺流程图 4 2 3 底部填充工艺流程图 底部填充工艺流程包括用底部填充胶水进行底部填充( 填充方式有 二种：完全填充c s p 与p c b 之间的间隙、或对c s p 角落绑定) 、胶水的 固化、x 射线及电子检查、返修( 对于可返修底部填充胶水) 等，具体的 底部填充工艺流程见图4 “ 图4 4 底部填充工艺流程图 4 3s m t 组装流程描述 二! 兰生丝型些坚鲨婪壅些查塑堡堕 堡! 兰型! 些塞塑鉴垒i 兰 0 5 m m c s 】代表先进的制造技术，无铅工艺又是现在的发展方i 柚。 通过此次评估，为以后大量生产高密度的无铅产品打下基础。 4 3 1 焊膏印刷 焊膏印刷是s m t 组装最重要的一个环节，需要单独一块p c b 光板进 行程序调试。 4 3 1 1 印刷参数设置 焊膏印刷的质量与印刷速度、前后压力和分离速度等印刷参数有关。 在焊膏印刷过程中，为了达到最佳的印刷效果，设置的印刷参数见表4 2 ： 表4 2 印刷参数设定 p c b 序 刮刀印刷印刷速度刖后 分离 印刷 清洗 号 长度模式( m m s )压力速度间隔频率 p r i n to 5 一0 0 0 1每5 块 1 - 6 01 4 ”2 5 o 5 5 k g p r i n tl m s m m 清洗一次 4 3 1 2 印刷后检查 在焊膏印刷之后，每一块p c b 板都用三倍放大镜进行了检查，同时 对焊膏高度进行首检，然后用l s m 3 0 0 对每4 块p c b a 中的一块进行了焊 膏高度的测量，并在事后用3 x 放大镜进行l0 0 质量检查。存在焊膏不 足、焊膏架接和超过3 m i l 的错位等缺陷的p c b a 板被去除，不再进入下 一道工序。 4 3 1 3 焊膏厚度 焊膏厚度对底部填充胶水的机械性能有影响，为把上述影响降到最 小，各p c b 板及同一p c b 板各位置的焊膏厚度不能相差太大。下表给出 了一些实测的焊膏厚度数据。 表4 3焊膏实测厚度 p c b 序 位置 焊膏厚度 p c b 序 位置 焊膏厚度 号 ( m i l )号( m i l ) # 1u 1 0 4 5 9抖3 0 u 1 0 4 6 1 u 1 0 15 8u 1 0 16 3 u 2 0 15 1u 2 0 1 5 7 u 2 0 4 6 1u 2 0 46 u 3 0 45 3u 3 0 46 4 u 3 0 1 5 8u 3 0 l5 u 4 0 l 5 5u 4 0 16 1 型望壁壁塑塑堡垒垦坐堕丛生一堡! 里! ! ! 丝堕塑竺壅! 兰 4 3 2 q p 24 2 e 设置 在底部填充胶水评估过程中采用q p 24 2e 型贴片设备进行c sp 组装， 其参数设置情况见表4 4 ： 表4 4实测胶点直径 i 质量检 z 向偏版本 i 测极限 铅亮度照相机 且型号 i 1 0 0o一0 4 2 3 3l s l 4 3 3 回流焊前检查 i ) 对元件进行l0 0 检查，在几块p c b a 上发现了未对准的缺陷。 2 ) 对第一块p c b a 进行x r ay 检查，以审核其是否有桥接及未对准 等错误。 4 3 4 回流焊 4 3 4 1 程序参数 设备：b t up a r a 9 0 n15 0 回流焊时p c b a 放置在网格传送带上 项目名称：1 0 m m p c bc s p 生产 1 0 m mp c b 温度设置( 1 l0 区域) ： 氮一关闭；热空气一开；1 w c 一0 8 ；传送带速率一3