倒装焊器件的密封技术

1、倒装焊器件的密封技术第10卷，第9期vol.10,no.9电子与封装electronics&packaging总第89期2010年9月封装,组:装-5测量试倒装焊器件的密封技术李欣燕，李秀林,丁荣峥（无锡中微高科电子有限公司，江苏无锡214035）摘要:倒装焊的底部填充属非气密性封装，并且受倒装焊凸点焊料熔 点,底部填充有机材料耐温限制，使得倒装焊器件的密封结构设计和工艺设计受限文章结合 气密性器件使用要求，设计了两种不改变现行倒装焊器件制造工艺,器件总体结构1的密封技 术，经过分析论证以及工艺实验，确认其是可行的密封的器件能够满足mil-883g中有关气密性, 内部水汽含量，

2、耐腐蚀(盐雾),耐湿以及机械试验等6兀密封结构，密封工艺均是在现有封装工艺条件基础上进行，具有非常强的可行性.关键词:倒装焊;气密性;陶瓷外壳;平行缝焊;合金焊料熔封;可靠性 中图分类号:tn305.94文献标识码：a文章编 号:1681-1070(2010)09.0001.04hermeticallysealedconstructionandtechnologyoffliphipdevicelixin-yan,lixiu-lin,d 1 ngrong?zheng(wuxizhongweihigh一techelectronicsco.,ltd.,wuxi214035,china)abstrac

3、t:flip-chippackagingofunderfillwasnon一hermeticpackaging.by thelimitofbrganicmateriarstem一peratureresistanceofunderfillandbumpmaterial5 smelting,fliphipherm eticstructuredesignandtechnologywererestricted.lnthispaperjnbaseofhermeticdevicedemandandexisting flip一chiptechnologyandstructure,twotypesstruct

4、urewasdesigned.thestructurewasfeasiblebytheprocesstest andanalysis.thehermeticpackagingdevicesatisfiedthestandardmil一883gofairtightness,watervaporcontent,corrosion(saltatmosphere),moistureresistanceandmechanicaltest.hermeticdeviceandhermetictechnologywerefeasibleinthebaseofexistingpackagingtechnolog

5、y.keywords:flipchip;air-tightness;ceramicpackage;parallelseamwelding;soldersealing;reliability1刖s随着器件向多功能，高性能,薄型化，小型化，轻量化的方向发展，器件i/o端数增加的同时也向更高密度封装发展倒装焊是其中的重要关键技术之一，特别是在硅通孔(tsv)工艺成熟前是大家最愿意釆用的封装工艺技术，包括叠层倒装焊，参见图1【匚,现见到报道的倒装焊陶瓷封装工艺收稿日期:20100618均采用非气密性的，如powerpc系列电路,参见图2底部填充材料具有一定的吸湿性，具有与塑料封装中tbga等相似的”爆

6、米花，失效现象，另外底部填充材料并不能有效阻挡离子等的扩散，这就使倒装焊器件与现采用的气密性陶瓷封装器件在耐恶劣环境方面存在一定的差距，为了满足器件耐恶劣环境并具备长寿命的要求，必须开发气密性封装的倒装焊密封技术.由于无铅化焊料凸点熔点较低(通常在230°c第10卷第9期电子与封装左右），即使是sn5pb95焊料也仅在310c左右，加上 倒装焊底部填充料玻璃转化温度低且在高温度下易 分解，以及芯片硅材料的热膨胀系数（常温400c, 3.6x10/°c）与htcc/ltcc陶瓷的热膨胀系数存 在较大的差异（90%a 1,0陶瓷，常温400c,68x 10/c;ltcc则从5.

7、412_3xlo6/c均有），要求密 封工艺使倒装焊器件的温升要尽可能地低，现行在 陶瓷封装中采用的玻璃熔封,au80sn20合金焊料熔 封等密封工艺就不能直接使用，因为倒装焊底部填 充材料的玻璃转化温度低且材料在熔封过程中将 产生热分解等，会导致倒装焊互连接触电阻增大甚 至失效.下填充料ubm芯片焊点钝化层焊盘图1底部填充倒装焊结构示意图图2非气密性倒装焊陶瓷封装图2密封工艺技术气密性电子元器件通常是空封的，气密性封口 就是通过某种方式一如贮能焊，平行缝焊，激光 焊，加热熔封（如合金焊料，玻璃）以及冷挤压等将用于组装的开口密封起来的过程采用有机 胶等粘封的封口虽能通过气密性检查（测试参数合

8、格）,但其与塑料封装电路一样是非气密性封装，离 了,水汽等可以通过界面，有机分了间的间隙进行2.扩散渗透气密性封装是指使用对气，水等抗渗透 性强的金属，陶瓷，玻璃作结构材料，将需要保护 的器件密封在一个受控的环境中气密性封装的器 件所能适应的使用环境更广，常用于工作环境恶劣， 可靠性要求高的器件以及器件性能受环境（如气压） 影响大的器件的封装.气密性封帽是指气密性封装 的最后一道封口工序，是气密性封装的关键工序.高可靠电子元器件气密性封帽工艺常采用低温合金 焊料熔封，平行缝焊，低温玻璃熔封,贮能焊，激 光焊或冷挤压，密封结构，密封温度能与倒装焊器 件相适应的是低温合金焊料熔封和平行缝焊;低温

9、玻璃在高温下熔融并融合而形成密封，且密封温度 远高于au80sn20等合金焊料,显然不适用.常用的低温合金焊料有au80sn20共晶焊料和 锡银铜等封帽时通过对焊料加热使之熔化，熔 化焊料将盖板/帽与外壳密封口融合密闭起来.au80sn20共晶焊料的熔点为280°c,封帽峰值温度 在320c左右,峰值温度保持时间在lmin2min锡 银一铜等因内部气氛不佳使用受到一定的限制. 平行缝焊属电阻熔焊它利用脉冲大电流通过 焊接处高接触电阻所产生的热量，将盖板与焊环相 接触的小区域熔接起来，局部熔接的温度在1000 °c1500°c,平行缝焊仅局部有温升，不需要对电 子元

10、器件进行整体加热，可防止某些电子元器件受 高温后参数容易漂移甚至损坏,内部受到热冲击等， 但平行缝焊过程中会使焊缝处镀层等受到破坏，焊 缝处的抗盐雾耐腐蚀能力变弱.3倒装焊工艺典型的倒装焊气密性封装工艺流程见图3. 倒装焊的基板材料有陶瓷，高质量多层树脂板 和柔性基板，柔性基板主要应用于手机，显示器等 方面，高质量多层树脂板则主耍应用在fpgaqsp 等高引出端数的ic中,而陶瓷基板贝ii主要应用在通 讯基站等大型设备仪器中，以保证系统的可靠性. 陶瓷基板具有更高热性能，更高的强度以及更强的 耐受恶劣环境的能力，特别在受潮后的温度变化中 表现出杰出的长期稳定性和高互连可靠性.即使是陶瓷基板,硅

11、芯片材料可以有非常好的 气密性18，但底部填充剂留下的细缝还是给潮气，离 子等的扩散和迁移带来器件的质量隐患，使器件并 不能适应海上，南方高温潮湿天气等恶劣条件下的 第10卷第9期李欣燕,李秀林，丁荣峥:倒装焊器件的密封技术 长寿命（如10年）以及通讯卫星等使用的真空环境 下（因气压低而导致材料膨胀使互连可靠性降低甚 至失效），这就需要对使用在恶劣环境中的倒装焊 封装进行气密性封装.图3非气密性fccbga封装工艺流程图4倒装焊器件的密封设计气密性封装的密封腔或包裹，必须是气密性的金属一陶瓷一玻璃类材料，这些材料之间必须是原子连结，而不能采用任何有机材料进行粘接.在进行气密性结构设计时，除需要

12、考虑电性能 之外,还需要考虑芯片的散热问题.倒装焊芯片 （结）的热导出如图4所示芯片（结）产生的热主 要由三个途径散出:（1）通过芯片焊料凸点和底部 填充剂向外壳，再由外壳并主要通过外壳上的焊球， 再通过系统板向周围环境散热;（2）通过芯片向芯 片衬底，传导到热沉或芯片底面，然后再向环境散 热;（3）有热沉的，部分热还通过热沉向外壳传导， 再由外壳向低温区散热.对于功率密度或功率相对较大的器件,芯片背面的导热是必须的，芯片背面必须与热沉,散热片 或冷板等接触，同时还需要保证倒装焊芯片的底部 填充胶缝口被密封起来，我们设计了如图5所示的 结构对于功率不是很大同时又要保证有密封腔的， 且在密封过程

13、中不产生器件损伤，不引起底部填充 的有机材料发生热分解，退化等问题，设计了图6和 图7带腔的密封结构,分别采用了平行缝焊密封工 艺和au80sn20焊料局部加热的密封工艺前者对外 壳制造要求多增加一道金属框钎焊工艺，后者则需 要使用价格较高的au80sn20焊料，在生产成本上较 高.凸点封装基 板/外壳 焊球 系统板 图4倒装焊芯片（结）的热导出途径 陶瓷金属化层金属层芯片 图5可以加装散热片等的气密性倒装焊封装结构图 图6平行缝焊密封倒装焊封装结构盖板j图7au80sn20焊料局部加热密封倒装焊封装结构5倒装焊密封器件气密性及成品率根据设计,我们制作了平行缝焊，合金焊料熔封，金属直接覆盖密封

14、3种倒装焊芯片密封的产品，3.第10卷第9期电子与封装见图8.3种产品均能通过依据mil 一 883g方法10142_6 ,gjb548b方法1014.1 7j的氨质谱检漏，粗检漏.将样品与常规的cdip,clcc,csop,csoj,cqfp,cqfj,cpga,cbga等引线键合的气密性封装（平行缝焊,au80sn20合金熔封等）进行比测，其指标均与之相当.幽图83种气密性倒装焊封装样品图6结束语本文设计了两种气密性封装方案（三种工艺方式）均可行，且制作出合格产品，在进行具体ic封装设计时需要根据ic产品具体要求并结合ic使用做出合理选择，以使封装电路达到最优化.气密性倒装焊将大幅度提升封

15、装电路抗潮汽，离子渗透腐蚀等的能力，提升器件的可靠性，对海上潮湿等恶劣环境下使用的系统具有重要意义气密性倒装焊封装还可用于空间通讯卫星，医疗等方 面使用的ic封装，帮助其降低体积的同时提升器件 的可靠性.参考文献：1 李福泉，王青春,张晓东倒装芯片凸点制作方法j. 电子工艺技术,2003,2(24):62-66.2 罗驰，练东.电镀技术在凸点制备工艺中的应用j.微 电子学,2006,4(36):467472【3任春岭，鲁凯倒装焊技术及应用j电子与封装,2009,4(5):13-15 f4】inagakim.solderbumpingtechnologyforflipchip applicati

16、onz .secap,2001.【5】郭志扬，金娜，等倒装焊凸点材料及焊盘金属化j微处理札2002,2:2022.6 milstd 一 883g.testmethodsandproceduresfor microelectronicss 】.28february20067】gjb548b.2005.微电子器件试验方法和程序is中国人民 解放军总装备部.8 raor.tummala,等微电子封装手册(第二版)m 北 京:电子工业出版社,2001.作者简介：李欣燕(1976 )，女,助理工程师，现在无锡中微高科电子有限公司从事ic封装设计工作.” c摹semicontaiwan2010推岀50场产

17、业技术论坛与发布会 9月8日在台湾开幕的"semicontaiwan国际半导体 展,今年一次推岀50场技术论坛及产品发表会，主题涵盖 产业最热门的mems微机电技术,3dic及先进封测技术发 展，和led制程,绿色制程及厂务管理，二手设备,平坦化 技术，自动化光学检测,化合物半导体等等.semi台湾暨东南亚区总裁曹世纶指出:”由于半导体 产业已经是成熟市场，许多芯片制造商和其供货商都开始持 续寻找新的市场机会，来延伸自己的技术版图,mems和 led就是其中之一.而二手设备，绿色制程等议题则是厂商 和使用者共同创造新价值的重要市场这次一口气推出50 个研讨会和技术发表会，就是希望能透过semi的全球资 源，整合应用产品展示，技术研讨与趋势论坛的方式，让相 关业者在三天的展期内全面了解技术与商品发展趋势，并快 4速认识上下游厂商,协助业者找到新的商机和获利模式” 近年来在手机，游戏机，笔记本电脑和各种新颖汽车电 子设备等应