（材料学专业论文）倒装芯片用新型可返工环氧底部填充料合成和性能的研究.pdf

摘要 倒装芯片用新型可返工环氧底部填充料合成和性能的研究 摘要： 随着倒装芯片( n i pc h i p ) 技术的广泛使用，尤其在多芯片组件( m c m ) 和三 维封装技术( 3 d ) 的应用，需要封装器件具备可返工性。从环境保护的角度， 电子元器件的返工和循环使用也越来越受到重视，这也对封装材料提出了可返工 性( r e w o r k a b l e ) 的要求。本文合成出两种分别含有叔酯键和叔醚键的环氧化合物 e p 0 1 和e p 0 2 。用红外光谱、氢核磁共振谱、及环氧当量测定等方法证实了它们 的结构。e p 0 1 与已有商品e r l 4 2 2 1 ( e t ) 0 0 ) 以环氧当量摩尔比1 ：l 混合组成 e p 0 3 。e p 0 2 和e p 0 3 用酸酐类固化剂m e h h p a 固化。t g a 测试表明它们具有理 想的起始热降解温度( i d t = 2 1 0 2 2 0 ) ，显著低于现在普遍应用的环氧底部填 充料e r l 一4 2 2 1 ( i d t = 3 1 0 。c ) 。它们的粘结强度和玻璃化转变温度t g ，在返工温 度( 2 2 5 ) 老化数分钟后迅速降低，符合当前微电子倒装芯片封装对可返工工艺 的迫切需求。 对这两种新型可返工环氧树脂，除了用t g a 进行热降解行为研究外，还用 d t a 、d m a 、微机控制电子万能试验机、恒定湿热实验箱、热循环实验箱等仪 器来测试其热、机械等性能及使用可靠性。考察了添加硅微粉对环氧树脂的模量、 吸湿性、粘度等性能的影响。采用d t a 和凝胶时间测定方法研究了这两种新型 环氧树脂体系的固化反应过程，计算了固化反应的动力学参数，为该环氧树脂体 系固化工艺的确定提供了理论根据。 关键词：可返工底部填充料环氧树脂倒装芯片热降解 a b s t r a c t r e s e a r c ho ns y n t h e s i sa n dp r o p e r t i e so fn o v e lc o n t r o l l e dt h e r m a l l y d e g r a d a b l ee p o x yu n d e r f i l lf o rf l i pc h i p a b s t r a c t ： w i t ht h ea p p l i c a t i o no ff l i pc h i pa n dd e v e l o p m e n to fm c ma n d3 dp a c k a g i n g ，t h e r e w o r k a b l eu n d e r f i l lm a t e r i a lh a sb e e no n eo ft h ek e y st ot h er e c o v e r yo fh i g h l y i n t e g r a t e da n de x p e n s i v eb o a r da s s e m b l yd e s i g nb yr e p l a c i n gd e f e c t e dc h i p ，w h i c h a l s om a k e se l e c t r o n i cc o m p o n e n t se n v i r o n m e n tf r i e n d l y t h i sp a p e rr e p o r t st h e s y n t h e s i s ，f o r m u l a t i o na n dc h a r a c t e r i z a t i o n so ft w on e wd i e p o x i d e s ，o n ec o n t a i n s t e r t i a r ye s t e r ( e p 0 1 ) a n dt h e o t h e rc o n t a i n st e r t i a r ye t h e rl i n k a g e s ( e p 0 2 ) b o t h c o m p o u n d sw e r ec h a r a c t e r i z e d 谢t l l1 h - n m r ，f t - i rs p e c t r o s c o p i e sa n de e w , f o r m u l a t e di n t ou n d e r f i l lm a t e r i a l sw i t l la n a n h y d r i d e a sh a r d e n e ra n da 2 - m e t h y l i m i d a z o l ea sc a t a l y s t ad u a l e p o x ys y s t e m ( e p 0 3 ) w a sa l s of o r m u l a t e d c o n t a i n i n gt h et e r t i a r y e s t e rd i e p o x i d ea n dac o n v e n t i o n a la l i p h a t i c d i e p o x i d e ， e r l 一4 2 2 1 w i t l lt h es a m eh a r d e n e ra n dc a t a l y s t t h et h e r m o g r a v i m e t r i ca n a l y s i s ( t g a ) d a t ar e v e a l e dt h a t ，t h ec u r e de p 0 2a n de p 0 3h a do b v i o u s l yl o w e rt h e r m a l d e c o m p o s i t i o no n s e tt e m p e r a t u r e ( a r o u n d2 1 5 c ) t h a ne r l - 4 2 2 1 ( 3 i o 。c ) t h es h e a r s t r e n g t ha n dg l a s st r a n s i t i o nt e m p e r a t u r e so f t h e s en o v e ld i e p o x i d e sd e c r e a s e dq u i c k l y u p o nb e i n ga g e da t2 2 5 c i ns u m m a r y , t h es y n t h e s i z e dt e r t i a r ye p o x i d e sc a nb eu s e d a sar e w o r k a b l eu n d e r f i l lf o rf l i p c h i pa p p l i c a t i o n t h e r m a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dm l i a b i l i t yo ft h e s en o v e lr e w o r k a b l ee p o x y r e s i n sw e r es t u d i e db yd t a ，d m a ，t h e r m a lc y c l e ，s t a b l et e m p e ra n dh u m i d i t y i n s t r u m e n t s m i c r os i l i c aw i l le v i d e n t l yi n f l u e n c et h em o d u l u s ，w a t e ra b s o r p t i o na n d v i s c o s i t yo ft h ee p o x yr e s i n t h e r e a c t i o n p r o c e s s o ft h e c u r i n gs y s t e m ( e p 0 2 m e h h p a ，e p 0 3 m e h h p a ) w e r ea l s os t u d i e db yd t a a n dd e t e r m i n a t i o no f g e l t i m e ，a n dc a r e f u l l ya n a l y z e d t h ep a r a m e t e r sg o tb yt h ek i s s i n g e rm e t h o d ，o z a w a m e t h o da n df l o r yt h e o r yc a no p t i m i z et h ec u r i n gp r o c e s so f t h e s en o v e le p o x y k e yw o r d s ：r e w o r k a b l e ，u n d e r f i l l ，e p o x yr e s i n ，f l i pc h i p ，d e g r a d a b l e 复里丈学硬掌豫论文 第一章前畜 1 1 先进封装技术的发展趋势 辩装摇剩用膜技术及微缀连接技术，将半露体元器 牛及其它构成要素，在框 檠或蒸扳上布置、固定及涟犊，弓l 窭接线壤子，势通过可鎏经绝缘分蒺灌鹭固定， 构成熬体立体结构的工芑技术。它具有机械受撵、电气连接、物理保护、外场屏 蔽、威力缓和、散热防潮、尺寸过渡、规格化和标准化等多种功能。 1 1 1 半导体封装外部形式的变迁 拳譬俸翦端制造工琶不羧缝小懿线宽、鬟裹瓣集成密度、簧大鹣硅片尺寸， 在嚣添澍装上俸瑷为封装豹输入输密( 玫) ) 数曩不叛培翔，体袄遥澎缩小稻同 一封装内的芯片数目持续增长。半导体的封装形式经历了从初期双列直插式 ( d i p ) 到四边扁平封装( q f d ) ，再到针栅阵列( p g a ) 、球栅阵列( b g a ) 和 盘栅阵列( l g a ) ，直至各种形式的芯片尺寸挝漩( c s p ：；和硅片缀封装( w l p ) 的发鼹进程( 见图1 ，1 ) 。在这一发展过程中，半导体封装昀输入竣出，由最初 懿港辫漩两边懿线整爨翔扩袋麓滔西逮戆撩翔，迸一步发震甍封装戆整个表嚣内 的二维阵列，再到现在的三维封装( 3 d ) 。封装作为保证集成电潞最终电气、光 学、热学和机械性能的关键环节，随着芯片输入输出密度不断加大、速度不断 加快，及小型化、薄型化( 见图1 2 ) 的趋势，技术难度不断提离，在半导体制 造成本中骄占的e 例逐濒域趣，已经成为制约半导体工业发展鹃瓶颈之一。 i i t1 1 电子封装的三次蘑大变革1 1 复且大学硕士学位论文 图1 2 电子封装发展的驱动力i i j 1 1 2 举导体封装内部连接方式的发展趋势 半譬侮封装肉部落片帮癸部警瓣戮及蕊冀之瓣豹连接越蕊确立芯片耪努帮 的电气连接、确保芯片和外界之间的输入输出畅通的重要作用，是整个后端封 装过程中的关键。封装的内部连接方式主要包括传统的引线键仓( w i r eb o n d i n g ) 潋及巍兴懿铡装芯片( f l i pc m p ) 。 1 1 。2 1 弓l 线键合 引线键合( w i r eb o n d i n g ) 以金属引线的两端，分别与芯片和管脚键台而形 成电气造接( 见图1 3 ) 。引线键合是最为成熟、应用最为广泛的封装内部连接 方式，其肇个连羧静城本矮低，镧 誊工艺灵活，逡瘴毪强。 但魑引线键合技术本身存在诸移技术缺陷，液现在：多根引线并联会产生邻 近效应，鼯致同一硅片的键合线之间域同一模块内的不同硅片的键合线之问电流 分毒不鹭；由手裹鬏大魄滚透过茧撩乎霉茨零l 线产生电磁场，囊忿形残戆瞧磁力 容易造成弓i 线老化；弓i 线键合工艺的寄生电感很大，会给器件带来较高的开关过 电压，形成开关应力；弓i 线本身很绷，又普遍采用平面封装结构，传热性能不够 好；弓f 线积硅片作为不疑静材料，二者热膨胀系数静差异会产艇热应力等等。 网1 3 引线键合( w i r eb o n d i n g ) 复盟太学硕士学位论文 l 。l 。2 。2 倒装芯片 倒装芯片技术是电子封靛业向着低成本、高可舷性和高生产率方向发展过程 中的一大技术进步。在该技术中，半导体裸芯片的有源区面朝下，即勰片倒装， 直接和印刷电路板或芯片载体熬扳进行键合互连( 见图1 4 ) 。倒装芯片代表着 越装输入输融数嚣不辑增热，肉郁连接性能要求越来越齑豹形势下，激气连接 壶弓l 线淘爝球发展静趋势。这矜趋势在封装| 三l 静静蒺它应雳层次上( 例如印剩线 路板和芯片) 也得到了充分的反映。 图1 4 倒装芯片( f l i pc h i p ) 发明焊料凸点倒装芯片曩连技术的最初目的照为了改变手工引线键合高成 本、低可纛憾和低生产率的不利状况。倒装芯片和弓i 线键合的明显区别在于：引 线键合是麓迭蔓连方式，瑟晨瓣各f o 菝次遴行潞羧，跑较渡费嚣阗；褥翻装芯 片则是一次健完成所有哟的群按。 倒装芯片有三种主要的连接形式：可控坍塌芯片连接( c o n t r o l l e dc o l l a p s ec h i p c o n n e c t i o n 简称c 4 ) 、直接芯片迄接( d i r e c tc h i pa t t a c h 简称d c a ) 和胶粘剂连接 的倒装芯片( f l i pc h i pa d h e s i v ea t t a c h m e n t 简称f c a a ) 。 可控耱臻芯冀连接( c 碡) 技零是一耱超赣缎阉疆豹b o a 形式( 氮潮1 。s ) 。 管芯具有9 7 p b 3 s n 焊球阵到，程0 2 o 2 5 4 m m ( 8 l om i l ) 的节距上，般所 采用的焊球赢径为0 1 o 1 2 7 r a m ( 4 5m i l ) 。焊球可以安置在管芯的四周，也 可以采用众部或者局部的阵列酉已置形式。使用c 4 溉连技术的倒装芯片，通常连 接到具有金或者锡连接焊盘的陶瓷基板上面，这主骤是因为陶瓷能够忍受较高的 霉漉焊接激发。 图1 5 可掇坍塌芯片芯片互连( c 4 ) 技术 复旦大学硕士学位论文 这些元器件不能使用标准的装配工艺进行装配操作，因为9 7 p b 3 s n 焊料再 流焊接温度为3 2 0 ，对于c 4 互连来说，尚没有其它的焊料可以采用。代替焊 膏的高温焊剂被涂布在基板的焊盘上面或者在焊球上面。元器件的焊球被安置在 具有焊剂的基板上，这种焊剂能提供足够的粘性，以确保在焊料发生再流时，元 器件不发生移位现象。装配时的再流焊接温度大约在3 6 0 左右，此刻焊球发生 熔化从而形成互连。当焊料发生熔化时，管芯利用其自身所拥有的易于自动对准 的能力与焊盘连接，这种方式类似于b g a 组件。焊料“坍塌”到所控制的高度 时，形成了桶型互连形式。 对于c 4 器件来说，进行大批量生产应用的主要是陶瓷球栅阵列( c b g a ) 和陶瓷圆柱栅格阵列( c e r a m i cc o h n r mg r i da r r a y 简称c c g a ) 组件的装配。另外， 有些组装厂商在陶瓷多芯片模块( m c m c ) 应用中使用这项技术。 因为c 4 元器件仅能够被安置在陶瓷基板上面，它们最具竞争性的是在高性 能、高i o 数量的元器件应用场合，例如：c b g a 、c c g a ，以及m c m 的应用。 直接芯片连接( d i r e c tc h i pa t t a c h 简称d c a ) 技术，像c 4 技术样，是一 种超微细节距的b g a 形式( 见图1 6 ) 。管芯与在c 4 中所描述的完全一样。c 4 和d c a 之间的不同之处在于所选择的基板不同。d c a 基板所采用的般为用于 p c b ( 印刷电路板) 的典型材料。所采用的焊球是9 7 p b 3 s n ，与之相连的焊盘采 用的是低共熔点焊料( 3 7 p b 6 3 s n ) 。为了能够满足d c a 的应用需要，低共熔点焊 料不能通过模板印刷施加到焊盘上面，这是因为它们的节距极细( 0 2 0 2 5 4 m m 8 1 0m i l ) 的缘故。作为一种替代方式，板上的焊盘必须在装配以前 涂覆上焊料。在焊盘上的焊料容量大小是非常关键的。比起其它超微细节距的元 器件来，它所施加的焊料显得略多。0 0 5 0 1 2 7 m m 厚的焊料被施放在焊盘上面， 使之呈现出半球型的形状，在元器件贴装以前必须使之平整，否则焊球不能够可 靠地安置在半球型的表面上面。为了能够满足标准的再流焊接工艺流程，直接芯 片连接技术混合采用具有低共熔点焊膏的高锡含量凸点。 图1 6c 4 - - d c a 复旦大学硕士学位论文 这些元器件能够使用标准的表面贴装装配工艺方法进行装配，施加到管芯上 的焊剂与在c 4 中所采用的相同。在d c a 装配时所采用的再流焊接温度大约为 2 2 0 ，低于焊球的熔化点温度而高于连接焊盘上的焊料熔化温度。在管芯上的 焊球起到了刚性支撑的作用。焊料填充在焊球的周围，因为这是在两个不同的 p b s n 焊料组合之间形成的互连，在该处焊盘和焊球之间的界面将消失，在相互 扩散的区域具有从9 7 p b 3 s n 到3 7 p b 6 3 s n 形成光滑的梯度。通过刚性的支撑， 管芯不会像在c 4 中那样发生“坍塌”现象，但是特有的趋于自我对中的能力依 然保持不变。大规模的生产应用d c a 器件已经开始进行。推动这项技术发展的 不在于它所具有的较高的i 0 数量，而是主要在于它的尺寸、重量和价格。 d c a 器件的优点有点类似于前面所叙述的c 4 。因为它们能够在标准的表面 贴装工艺处理下安置到电路板上面，能够适合这项技术的潜在应用场合是数不胜 数的，尤其是在便携式电子产品的应用中。 然而关于d c a 技术的优点也不能过于夸大，要实现它仍存在一些技术方面 的挑战。有经验的装配厂商在生产过程中使用这项技术时，继续重新处理和改善 他们的工艺流程，业界实际上还没有对此项技术广泛的工艺处理经验。由于消除 了围绕在管芯四周的封装，所有复杂的高密度连接直接进入p c b 内，形成了复 杂的表面贴装装配。 胶粘剂连接的倒装芯片( f l i pc h i pa d h e s i v ea t t a c h m e n t 简称f c a a ) 可以具 有许多形式( 见图1 7 、1 8 ) ，它采用胶粘剂来替代焊料，将管芯与下面的有源 电路连接在了一起。胶粘剂可以采用各向同性导电材料、各向异性导电材料，或 者采用根据连接情况的非导电连接。另外，所采用的基板可以是陶瓷、p c b 材料、 柔性电路，甚至是玻璃，这项技术的应用非常广泛。 焊区 渣酗粒 l 基板 i ( a ) 无绝缘埂 曲) 有绝缘坝 图i 7 有、无绝缘坝使用的a c a 的c o g 结构 复旦大学硕士学位论文 ( a ) 一种倒装焊前的c o g 结构 ( b ) 一种倒装焊后的a c a 结构 图1 8a c a 倒装焊的工艺原理 屡 1 2 倒装芯片的优势 倒装芯片不是一种特殊的封装或者组装形式，相当于是一种将芯籽连接到封 装载体上面的方法。从传统的意义上来说，互连技术的实施是通过使用引线，为 此人们也称之为引线键合组装( w i r e b o n d p a c k a g i n g ) 。在倒装芯片中，所采用的 互连技术是利用导电凸点，它被安置在芯籽表面上。然后凸显的芯籽被翻转过来 直接与载体相连接，所以人们称之为倒装芯片( f l i pc h i p ，也称覆晶晶片) 。 倒装芯片与传统的引线键合封装技术相比较，可以拥有许多的优点【2 3 4 5 ( 见 图1 9 ) ，其中包括优异的导热性能和电性能、拥有大量i o 接点的能力、非常灵 活地满足各种各样性能要求的基板、很好地利用现有的工艺设备技术、利用现有 的基础装备，以及降低元器件的外形尺寸。此外，倒装芯片还具有自我对准的能 力( s e l f - a l i g n m e n t ) ( 见图1 1 0 ) 【6 】。当锡球回流时，焊锡内的表面张力将自我纠 正芯片的小小的不对准。这个自我对准特性带来非常高的制造装配合格率。倒装 芯片技术也提供低电感( i n d u c t a n c e ) ，这对高频应用是很重要的。 复旦大学硕士学位论文 图1 9 倒装芯片的优势【2 i 芯片 f _ 一 ；唯j j 基板( b ) 图1 1 0 倒装芯片与基板焊接时的自对准过程( s e l f - a l i g n m e n t ) 1 6 1 倒装芯片封装形式的热性能明显优于常见的引线键合封装形式。现如今许多 的电子元器件，诸如a s i c 器件、微处理器和系统级芯片( s y s t e m o n a - c h i p 简称 s o c ) 耗散要达到1 0 2 5 w ，这大大高于采用引线键合形式的球栅阵列( b a l lg r i d a r r a y 简称b g a ) 封装只能够控制5 1 0 w 热扩散的能力。与之形成对照的是， 倒装芯片封装在一般情况下可以忍受2 5 w 的热耗散，这取决于器件的工作环境 和对热量的要求( 最大的结温、环境温度和气流情况) ，有关的封装参数，例如 所采用的散热片、封装和芯籽尺寸大小、基板层数和焊球的数量。 倒装芯片显著的热性能是通过散热结构设计来达到的，它可以提供较低的热 阻。热量的散发可以通过焊球体，内部和外部的散热片。较低的o j 。( 结点到壳体 的热阻) 能够通过散热器和芯籽之间的接触来实现。一层簿簿的导热脂粘合带可 以施加在散热片和芯籽之间，用以改善散热通道，这样就可以让热量很容易地从 封装器件上散发出去。为了能够进一步提高热性能，外部散热器可以很方便地附 着到外壳上面。 通过取消引线键合( 它在封装中扮演了一个瓶颈的作用) ，倒装芯片可以提供 电性能的改善。许多现如今的电子元器件可以在高频状态下进行工作，于是信号 的完整性是一项需要重点考虑的事情。在过去，2 3 g h z 可能就是许多封装器 黼溅 l j 复旦大学硕士学位论文 件的上限了。对比之下，倒装芯片可以很容易地支持i o g h z 的频率，最高可达 4 0 g h z 的频率，这主要取决于所采用的基板技术。 由于倒装芯片封装所具有的结构特点，封装的占用面积在i o 数量达到最大 的情况下可以很小。在早期开发的时候，在倒装芯片中的芯籽使用共熔合金焊料 凸点直接与基板相连接。芯籽的焊料凸点通过回流焊接与基板的顶层相连接。焊 料球通过回流焊接与基板的底部相连接。这种封装结构( 多层数、盲孔和埋孔、 微细间距布线和能够在凸点基础上成功地实现高密度布线要求) 可以允许在整个 底部形成封装焊料球基础面。由于采用了这种整个焊料球基础面结构，倒装芯片 标准的焊球间距为i m j n 。通过降低焊球的间距和整个焊球基础结构，可以增加 更多的焊球数量，降低封装件的尺寸。 倒装芯片技术的另一个重要优点是将电源带入芯片的每个象限( q u a d r a n t ) 的 能力。这个能力提供整个芯片面积上的均匀的电流分布，这是与引线键合的周围 分布相比较的。倒装芯片也减少电磁干扰( e m i ，e l e c t r o m a g n e ti n t e r f e r e n c e ) ，这 是射频( r f ，r a d i of r e q u e n c y ) 应用的一个关注。 1 3 倒装芯片的底部填充工艺 为了能够满足可靠性要求，倒装芯片一般采用底部填充技术。这是因为在回 流焊时，焊球处在很大的应力作用下，此刻机械作用力和热循环应力可能会引起 它们的裂损现象。而底部填充所采用的材料通过一种强力粘接型的环氧树脂胶将 其拉紧，降低和重新分配了应力。将芯片、电路板和焊接点之间的热膨胀系数 ( t o e m c i e n to ft h e r m a le x p a n s i o n 简称c t e ) 不匹配现象减小到最低。通过在芯片 和基板之间的空隙中填充环氧树脂材料，可以获得较高的可靠性。如果不采用这 种底部填充方法，失效率达5 0 时的热循环次数甚至会低于2 0 0 次。若精心选 择底部填充材料，就有可能将热疲劳可靠性提高1 0 倍以上。底部填充不仅能消 除焊点的应力，而且填充在i c 芯片与有机基板之间的狭缝中将连接焊点密封保 护起来，保护内部互连系统、器件免受湿气、离子污染物、辐射和诸如机械拉伸、 剪切、扭曲、振动等有害的操作环境的影响和吸收a 粒子的作用。0 【粒子一般是 由焊料中的铅放射出来的，它会导致逻辑电路发生软失效。对底部填充材料和空 隙形状的深入了解，还可使性能进一步提高【7 ，8 ，9 1 。 当前的底部填充材料u n d e r f i l l 主要是硅填充的环氧树脂基体材料，其性能的 改善由以下三个因素决定：( 1 ) 提高了对芯片的约束，减小了焊接的剪切应力， 而且附加的粘接面也有降低芯片弯曲的趋势；( 2 ) 当弹性模量很接近于焊料的弹 性模量时，环氧树脂就形成一种相对焊接的准连续区，因此就减小了在芯片和基 板界面上与焊接面形成的锐角有关的应力：( 3 ) 焊料实际上是被密封而与环境隔 绝。机械循环试验表明，在真空或是当用一层油脂涂层保护时，焊料疲劳寿命可 复星大学硕士学位论文 戳褥至i 改簿，这是由于避免了裂纹端点的氧证，减缓了裂纹的生长。 一般情况下，底部填充材料使用自动化的液体涂覆设备来进行操作( 见图 1 1 1 ) 。在嘏细作用下，使得流动着的底部填充材料很容易地完全填究猩芯片和 基板之间的嶷隙内。一旦发生嗣化，这种液态材料将显得很坚固。 一秘较裁豹蓬热底部壤兖搴| 料豹方式是通过模投窜剜，将毒| 料涂覆至螯扳土 的元器释滓淼上。然后再将倒装芯片压向底部填充糖精上，壹至与簿纛稳嚣接魅， 然后回流、围化( 见图1 1 2 ) 。 图1 1 l 剃用毛细作用的传统底郁填充图1 1 2 采用模板印耐的阐流填充 采用液态涂布或者模板印刷方式，取决于对底部填充材料类型的性能要求。 在倒装芯片的底部填充材料中，基本的目标是快速施加和迅速固化。人们希望能 够结合在s m t 工艺处理中采髑藤郝填充材料，嚣为这样镁疑够节省对阗。 在滚态疯部填充毒孝辩豹涂蠢王艺实蓬过程牵，斌帮壤充材料将滚蘩警葱兹透 缘进行涂布。在表面张力的作用下，底部填充材料穷越管芯，完全将例装芯片和 基板之间的间隙填充满。在间隙被充满了以后，多余的底部填充材料可以沿着管 芯的边缘形成填角。角隅填密法( f i l l e t i n g ) 增加了倒装芯片的热循环性能，尤其 是在管芯尺寸较大时更是如鼗。可以将澜湿添加裁添翔至底部填充材料中，满足 滚薅涂毒鹣褥簧，一般猿援下，胃菝采焉霹与硅糖羧豹磕靛证合穆。溺滋添蕊裁 可使底部域究材料流动至管芯的边缘以形成填角，从而使底部填充材料成为“自 成填角”。 涂布的形式多种多样，底部填充材料可以仅仅沿着管芯的一边进行涂布，也 可沿着管芯的二铡或者三侧进行涂布，这样可以钱纯底部填充材料的流溯性，并 显降羝装瑟豹辩闼。然瑟，涂毒沿着多子一翱魏方竣，霹襞会蘧熬在餐港下嚣截 获空气的可能性。在涂布以前，通过对底部填充材料的加热，可以降低其粘度。 加热也可以降低底部填充材料与基板之间的相切角度，从而产生较强的表面张 力，以牵引底部填充材料横越锵：舔。在涂布底部填充材料以前，对基檄进行预加 复旦大学硕士学位论文 热，可以增强基于环氧树脂的底部填充材料至有机基板的粘性。 印刷底部填充材料作为一项新技术仍然处于发展之中，所要求的底部填充材 料尚不能够广泛的获取。然而，这个方式可以显著地降低装配时间。 模板印刷技术消除了在液体涂布方式中所要求的对底部填充材料的流动和 固化工艺处理，同时也允许倒装芯片以“绿色状态进行测试，它能够将返工工 作的费用大大地降低。然而，这项研究的最大优点在于将基于芯片( c h i p b a s e ) 的 工艺处理转化为基于表面积( a r e a b a s e ) 的工艺处理。 在美国g e o r g i ai n s t i t u t eo ft e c h n o l o g y 公司的技术研究中心，能够做到倒装 芯片的底部填充材料固化工作和s m t 器件的再流焊接工作同时进行。在该项工 艺实施中的第一步是通过模板印刷将底部填充材料印刷至连接焊盘上，接下去是 将焊膏通过模板印刷至s m t 元器件的焊盘上。紧接着进行倒装芯片的贴装，再 进行s m t 元器件的贴装。这样将倒装芯片安置在底部填充材料的顶部，通过压 力与焊盘相连接。此时可以对电路进行测试，根据需要可以实施返工操作。 当印刷电路板通过了检测以后，可以将焊接中所形成的缺陷降至最小的程 度。随着组件进入再流焊接炉中，焊膏发生再流，与此同时底部填充材料被固化。 1 4 可返工底部填充技术 对倒装芯片来说，大多数情形下，当管芯被连接和底部填充以后就不能够进 行测试了。如果发现芯片有缺陷，制造厂商必须抛弃整块电路板。这是因为无法 保证在不损害p c b 基板的情况下，清除掉粘接剂残余物。 作为一种可供替代的方式，一些元器件制造厂商依赖昂贵和耗费时间的离线 测试和处理来确保他们所用的管芯是可靠的。在离线测试中，倒装芯片和电路板 通过回流焊接工艺处理，然后取出进行离线测试。如果管芯被证实可靠，电路板 被重新放到生产线上进行底部填充；如果有问题，就替换上另外一块芯片，再按 此流程重新测试，直到合格。因为这些原因，倒装芯片集成技术是一项相对耗时 的工艺方法。板级倒装芯片常常被认为是制造过程中的瓶颈，仅仅生产高可靠性 和高价格的电子元器件时才使用。 然而，业界最近已经引入了可返工的底部填充技术。它允许很快地进行测试 和替换有缺陷的芯片。新的可返工底部填充材料将允许倒装芯片在测试后，当确 认该芯片有缺陷时进行替换操作，从而将把整个电路板丢弃的可能降低到最小。 这对于复杂的、昂贵的多芯片模块封装( m u l t i c h i pp a c k a g e s 简称m c m s ) 来说尤其 重要。图1 1 3 说明了多芯片模块组件中芯片数量和质量对m c m 成品率的影响。 从图中可以看出，芯片数量很多时，即使芯片质量很可靠，或优质芯片k g d 比 率超过了9 5 ，组件成品率也仍然很低。况且图1 1 3 还假设了基板中没有缺陷， 组装工艺没有故障。如果把这些因素都考虑进去，成品率还将更低。因此，对于 复旦大学硕士学位论文 芯片复杂、昂贵的大组件而言，芯片返工是一个十分重要的问题。图1 1 4 说明 了2 5 个芯片的组件中，成品率和芯片返工次数之间的关系。引入返工工艺则多 芯片模组m c m 的成品率可以得到很大提高。 o 口2 04 0辅的 7 0 9 0 1 加 n u m b e r o f c h l p n 图1 1 3m c mf r a c t i o n a ly i e l da saf u n c t i o no ft h en u m b e ro f c h i p si nt h e m o d u l ef o rv a r i o u sc h i pk n o w n g o o dd i e ( k g d ) p r o b a b i l i t y 2 1 o 90 9 20 9 40 9 e 0 9 8 p r o b a b i l i t yo f ac h i pb e i n gg o o d 图1 1 4m u l t i c h i pm o d u l ef r a c t i o n a ly i e l da saf u n c t i o no f t h ek g d p r o b a b i l i t yf o r2 5 - c h i pm c mw i t ha n dw i t h o u tr e p a i r s 2 1 倒装芯片底部填充的返工工艺 1 0 j 主要有两种方式，热返工和溶剂返工( 见 图1 1 5 ) 。i b m 的b u c h w a l t e r 首先提出了采用含有缩醛或缩酮结构【l l 】的环氧树脂 作为底部填充料的主体成分( 见图1 1 6 ) 。该环氧树脂会由于其中的缩醛或缩酮 结构在酸性溶剂作用下，反应生成醇而分解，就可以实现返工。但是这种方式有 他 ， ：詈 口罨i20嚣墨冀j_o| ，蛄町：詈o 里口li|co叠u毒k-in蕾02 复旦大学硕士学位论文 很多缺点，一则由于溶剂的流动性而难以限定在一个很小区域来返工，而且酸性 溶剂也会损坏基板，再则以酸性溶剂来分解特定的环氧树脂，一般反应速度比较 慢，费时费力。鉴于以上诸多考虑，美国康奈尔大学( c o m e l lu n i v e r s i t y ) k o b e r 教授建议采用含有薄弱化学键的可控热降解环氧树脂 1 2 】作为底部填充料来实现 返工。该环氧树脂在适宜的高温( 比如2 0 0 2 5 0 ，安全的返工操作温度) 加热 一下，就会迅速降解，其粘结强度随着大大降低，这时只需很小的力就可以方便 地取下坏芯片进行返工。这种热返工工艺，可以定域而不会影响周围其它器件， 而且省时省力。 美国l o c t i t e 公司开发和制造出的一种可返工材料，是一种环氧树脂基的液 态底部填充材料，当它处于1 5 0 c 至1 6 5 c 的环境温度时，可以在5 到1 5 分钟的 时间内进行固化。这种可返工热固性底部填充材料适合于聚酞亚胺钝化 ( p o l y i m i d ep a s s i v a t e d ) 的倒装芯片、c s p 和b g a 组装件。它是从有专利权的树 脂制品中开发出来的。当加热到设计温度( 至少2 1 0 c ，通常情况下加热工艺温 度为2 2 0 至2 3 0 之间) 的时候，可以发生熔化现象。残余下来的粘接剂通过磨 擦处理，就可以从p c b 基板上去除掉。 s o l v e n tr e w o r k p r o c e s s 图1 1 5 返工工艺 复旦大学硕士学位论文 o o o a c e t a ld i e p o x i d e o 0 o 图1 1 6 倒装芯片用可溶剂返工环氧树脂 开发可返工底部填充材料的关键在于寻找一种方法，它能够很快地取下元器 件，便于清理并在用于替换元器件的位置上作好下一步工作的准备，当第二个元 器件被安置好了以后，它可以保持良好的可靠性。 返工工艺实际上分为3 个部分。先待返工元器件在2 2 0 到2 3 0 的温度条 件下局部定域加热1 分钟或者更少的时间。然后管芯通过镊子取出或者通过真空 吸咐装置利用轻微的扭转来破坏最后的粘接剂。当底部填充材料的大部分通过有 关设备去除掉后，一些残余物仍会留在p c b 基板上，尤其是在填角区域。 然后可以采用不涉及溶剂和酸性物质的简单的工艺过程，来仔细地去除掉所 剩下的残余物。一台高速刷净设备，通常被称为“清洁工”，可以清除掉有缺陷 元器件被去掉以后所剩下的任何残余物。由于过度的对电路板施加压力会危及到 焊料掩膜或者金焊盘，对“清洁工”所施加的工作压力必须认真予以控制。在开 始工艺处理开发期间，洁净度可以通过f t - i r 分析装置进行外观检查来进行确 定。在清洁处理期间，即使一些金被清理掉，在重新安置器件以前不会进一步要 求对该位置进行处理。 为了能够去除底部填充的残余物，人们继续寻找一种非物理的处理方法。这 将可能要求开发出一种新型的单分子体，它在低于现如今环氧树脂单分子体可返 工的2 4 0 以下时，能开始有效进行分解。 对于返工操作来说最后一项工作是测试用新芯片替换原有芯片的能力。作为 一项新的装配操作，返工装配应该拥有与先前一样的可靠性。为了能够确认重新 替换上的倒装芯片组件在整个使用寿命期间的可靠性情况，需要对各种参数进行 复旦大学硕士学位论文 测量。符合一些确定的目标值，一般来说能够预示其具有良好的可靠性。对于底 部填充材料来说，测试参数一般为测试热膨胀系数( c t e ) 、转变温度( t g ) 、耐 湿性( 上升气道) 以及模量。性能特性是热循环特性和粘接特性。其它需要测量的 参数是最低离子容量和辐射，以及稳定的介电常数等。 可返工底部填充材料的可靠性和性能，已经被证明能够比得上传统的板级底 部填充。对于c s p 器件和b g a 器件来说，为了能够证明原始器件和经返工组件 的可靠性情况，使用了落锤试验( d r o pt e s t i n g ) 。采用落锤试验进行测试的结果表 明：经返工处理的组件比原始组件具有更好的可靠性。这个结果的产生是因为在 返工阶段实施清除工作期间，需要对电路板的表面进行磨擦，这样就增强了粘接 的效果。因为电路扳的表面变得粗糙，所以可以与所粘镶的基板产生很强的粘接 效果。 另外需要对器件进行热循环测试，以此来确认返工是否减弱了所替换的器件 的热循环特性。对于倒装芯片组件来说，热循环测试结果表明，在经历了超过 5 0 0 次的加热和冷却循环试验后，原始组件和返工位置上的器件情况类似，没有 降低性能。 1 5 可热返工环氧树脂 目前用于倒装芯片的可控热降解可返工环氧树脂大致可分为四类，分别含有 酯键、碳酸酯键、氨基甲酸酯键和醚键，其起始热降解温度大多在2 0 0 。c 一2 5 0 之间，明显低于早先广泛运用的不可热返工环氧树脂e r l - - 4 2 2 1 ( 本文记为 e p o o ，其起始热降解温度为3 1 0 c ，该温度过高，会损害基板，使得热返工无法 安全进行) 。 1 5 1 含酯键可返工环氧树腊 美国康奈尔大学( c o m e l lu n i v e r s i t y ) k o b e r 教授课题组的s h uy a n g 率先合 成出一系列含酯键的新型环氧树脂【1 2 】，其中三种含有叔酯键的可热返工环氧树 脂( 见图1 1 7 ) ，具有合适的热降解温度，其起始热降解温度在2 0 0 c 一2 1 0 。c 。 其中t e r t - - e p o 、q t e r t e p o 以l ，2 ，3 ，6 一四氢苯甲醛为最初的原料，经过 格氏等多步反应得到，比较繁琐，且产率低。虽然s y m 一- - t e r t - - e p o 以q 一 松油醇为原料与酰氯反应再环氧化得到，比较方便，但是其环氧当量高达2 3 8 ， 且全为酯环结构，因此其玻璃化转变温度偏低，只有1 0 0 * c 。 复旦大学硕士学位论文 a t e r p - e p o 图1 1 7 含叔酯键可热返工环氧树脂 美国佐治亚理工学院( g e o r g i ai n s t i t u t eo f t e c h n o l o g y ) c p w o n g 教授课题组 的h a i y i n gl i 合成了含有苯环的可热返工环氧树脂【1 4 】( 见图1 1 8 ) ，其起始热降 解温度分别为2 6 2 ( s y s s e c p h e n e p o ) 和2 0 7 ( s y s t e r t p h e n e p o ) 。仲酯 键比叔酯键稳定，相应环氧树脂s y s s e c p h e n e p o 的起始热降解温度比 s y s t e n - p h e n e p o 的要高。s y s - t e r t - p h e n e p o 的起始热降解温度比较合适，但是 其粘度过高，近乎固体，需要和e r l 一4 2 2 1 ( e p o o ) 混合来降低粘度才可以使用。 s y s - s e c p h e n e p o 的起始热降解温度偏高，超过了2 5 0 。 s y s s e e p h e n - e p o s y s - t e r t p h e n - e p o 图1 1 8 含苯环的可热返工环氧树脂 1 5 2 含碳酸酯键可返工环氧树脂 美国佐治亚理工学院c p w o n g 教授课题组的l e j u nw a n g 合成了含有碳酸酯 键的可热返工环氧树脂( 见图1 1 9 ) ，其起始热降解温度大约为2 5 04 c 。该类 复旦大学硕士学位论文 环氧树脂的前体化合物一含碳酸酯键的环烯烃由醇和三光气反应得到。虽然三光 气是固体，比光气而言要安全些，但还是具有相当的危险性，且该反应繁琐，产 率偏低。 o o 0 c a r b l o o o 图1 1 9 含碳酸酯键的可热返工环氧树脂 h a i y i n gl i 以双酚a 二( 氯甲酸酯) 和6 一甲基- - 5 - - 庚烯一2 一醇为原料反 应得到链式烯烃，再环氧化得到含双酚a 结构的碳酸酯环氧树脂( 见图1 2 0 ) ， 用于可热返工各向同性环氧导电胶”】。其起始热降解温度为2 3 7 。c ，t g 为8 0 。c ( t m a ) 、9 0 ( d m a ) 。 杏j 典。o “ 图1 2 0 含碳酸酯键的用于导电胶的可热返工环氧树脂1 3 1 1 5 3 含氨基甲酸酯键可返工环氧树脂 美国佐治亚理工学院c e w o n g 教授课题组的l e j u nw a n g 同时也合成了一系 列含有氨基甲酸酯键的可热返工环氧树脂，其中含有氨基甲酸叔酯键的环氧树脂 【1 印( 见图1 2 1 ) 的起始热降解温度大约为2 5 0 。c 。该环氧树脂先由1 ，2 ，3 ，6 一四 氢苯甲酰氯为原料，经和叠氮化钠反应得到l ，2 ，3 ，6 一四氢苯异腈酸，然后醇化 生成异腈酸酯，再环氧化得到。该合成过于繁琐，不便操作，危险性高，产率低。 o h n c o i | o 图1 2 1 含氨基甲酸酯键的可热返工环氧树脂 0 人 人 复旦大学硕士学位论文 1 5 4 含醚键可返工环氧树脂 北京化学所王宗刚课题组合成了一系列只含醚键的环氧树脂，其中分