倒裝芯片的高速度、低成本、無鉛化挑戰(zhàn)

 引言 

對小型精密組裝制造技術(shù)而言，各項(xiàng)新的要求產(chǎn)生各種新的挑戰(zhàn)。高速度應(yīng)用的專用集成電路，諸如纖維光導(dǎo)無線電收發(fā)機(jī)，會(huì)產(chǎn)生大量的熱，為了使其可靠地運(yùn)作，必須把這些熱從IC中散逸掉。而降低成本一直是消費(fèi)類產(chǎn)品的關(guān)鍵。另外，無鉛化封裝的全球趨勢也對芯片封裝提出了更大的挑戰(zhàn)。

2 高速度應(yīng)用
各種互連技術(shù)的電及熱特性比較和部分優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。



由表1可看出，由于較低的電感和電容，倒裝片的電特性優(yōu)于表面貼裝技術(shù)(SMT)、撓曲基板上芯片(COF)或微型焊球陣列(μBGA)。倒裝片還具有最低的電阻路徑。在極高速度的應(yīng)用中，使用倒裝片的電優(yōu)越性挑戰(zhàn)，諸如10Gb／s及更高的纖維光導(dǎo)無線電收發(fā)機(jī)，就是為了把熱從IC中消除。 

與撓曲基板上芯片(圖1)和撓曲基板上倒裝片(FCOF)相比，可看出COFIC的背部在機(jī)械和熱狀況下與金屬加強(qiáng)板相連。這是一種高效率的散熱片。倒裝片IC的背部裸露在外，如果沒有很強(qiáng)的空氣移動(dòng)，那么IC會(huì)運(yùn)作得更熱。COF的金屬加強(qiáng)板能較易地與下一級散熱片進(jìn)行熱粘附，以便進(jìn)一步提高性能。 


對提高FCOF熱耗散的一種方法已進(jìn)行了評定，結(jié)果也可應(yīng)用于從倒裝片到印刷電路板。采用70％充滿鋁環(huán)氧樹脂，把"線軸"型散熱片粘附到IC的裸背部，并測量Rja。把Rja從74℃/W降低到65℃／W。熱通孔也可更進(jìn)一步降低熱導(dǎo)率。 

3 節(jié)省成本 

倒裝片主要成本驅(qū)動(dòng)之一在于下填充物工藝技術(shù)。在IC和基板之間使用下填充物以便緩沖這兩者之間熱膨脹方面的差異。 

配制具有熱膨脹的有機(jī)基板的基本材料，這應(yīng)與銅電路的熱膨脹密切匹配。該匹配可防止銅發(fā)生裂紋、加工硬化和剝離現(xiàn)象。因此，大多數(shù)具有熱膨脹系數(shù)(CTE)17×10-6～18×10-6的有機(jī)基板增加了每度溫度改變的線性長度。硅IC具有的CTE為3．5×10-6.下填充物材料是一種環(huán)氧樹脂，為了把環(huán)氧樹脂的CTE從-65×10-6降低到-26×10-6，在此環(huán)氧樹脂中摻合鋁填充物。此環(huán)氧樹脂有助于防止IC受環(huán)境影響，從而起應(yīng)力吸收劑的作用。事實(shí)上，它顯著地提高了界面的斷面面積。如果沒有環(huán)氧樹脂下填充物，小型焊料凸點(diǎn)也許就會(huì)硬化并產(chǎn)生裂紋。本文主要討論三種類型的下填充物：標(biāo)準(zhǔn)邊緣滴涂型、無塑變型和預(yù)塑變型。 

邊緣滴涂下填充物工藝過程靠在IC下面產(chǎn)生"燈芯"效應(yīng)的環(huán)氧樹脂的毛細(xì)管作用填充縫隙。典型狀況下，采用非常精密的、全自動(dòng)化式滴涂機(jī)、為了使"燈芯"效應(yīng)最佳化，對基板進(jìn)行預(yù)熱，并在滴涂工藝后維持溫度直到環(huán)氧樹脂"燈芯"效應(yīng)完全在IC下而且出現(xiàn)在反面。溫度、焊料凸點(diǎn)模式和滴涂模式都會(huì)影響獲得無空洞下填充物的能力。然后，在加熱爐或輸送式加熱爐把環(huán)氰樹脂進(jìn)行固化。 


無塑變下填充物把IC揀一拾／焊料回流操作過程與下填充物／環(huán)氧樹脂固化操作過程結(jié)合起來．這樣使用就節(jié)省了地而空間、資小和勞動(dòng)力，消除了氮?dú)獾男枨?。圖4對邊緣滴涂型和無塑變型下填充物工藝流程進(jìn)行了比較。 

這些無塑變型下填充物材料包括焊劑(要求焊料凸點(diǎn)回流)和環(huán)氧樹脂(要求消除應(yīng)力)在把IC放置到基板上之前而不是在焊料回流之后，應(yīng)用環(huán)氧樹脂(如圖5所示)。




目前工藝狀況下，在倒裝片操作期間把焊劑應(yīng)用于焊料凸點(diǎn)。這減緩了揀一放機(jī)的速度并使圖像識別更困難。因?yàn)镾MT最好的焊劑是強(qiáng)腐蝕性的，所以，它肯定與裸IC的可靠性密切相關(guān)。如果使用較少活性的焊劑，那么就在N2氣氛狀況下實(shí)施焊料回流。當(dāng)使用有機(jī)焊料性能保護(hù)劑時(shí)，N2氣氛會(huì)引起倒裝片焊料的過量焊料潤濕。除了使用N2或不使用N2的權(quán)衡外，還需要評定在生產(chǎn)環(huán)境中采用N2回流焊的成本和利用率，將其作為整個(gè)工藝成本的一部分。 

當(dāng)使用無塑變型下填充物工藝時(shí)，不要求分離式熔解，因此拾一放操作過程生產(chǎn)率會(huì)增加一倍。環(huán)氧樹脂已在IC之下并保護(hù)IC不受更具腐蝕性的焊劑的影響，所以不需要N2。焊料回流操作過程也會(huì)固化下填充物環(huán)氧樹脂，從而消除或減少對單獨(dú)的下填充物固化過程的需要。 

由于要求部分類型的焊料密封墻，以便控制焊料潤濕性，避免焊點(diǎn)或IC毀壞并與基板上的導(dǎo)體接觸，因此基板也許會(huì)花費(fèi)更多。 

預(yù)塑變工藝取決于在揀一放階段需要熔解的凸點(diǎn)，以及在基板上焊料密封墻的需要。維持縫隙，從而提高生產(chǎn)效率和可靠性。 

4 無鉛焊料 

要求支持無鉛焊料的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)研究，同20世紀(jì)80年代開始的要求從通孔到SMT轉(zhuǎn)變的狀況一樣。數(shù)以百計(jì)的元件供應(yīng)商不得不采用兩種封裝類型和外形來制造電阻器、電容器、線圈、開關(guān)、連接器等等，把每個(gè)工藝生產(chǎn)線專用于一個(gè)或另一個(gè)上。如果采用混合技術(shù)工藝，那么大多數(shù)應(yīng)用可適應(yīng)很多年，電路板可獨(dú)立地經(jīng)受每一個(gè)工藝過程。 

采用撓性電路面臨的無鉛挑戰(zhàn)甚至比使用FR4更大，因?yàn)樵诏B層工藝中使用的膠粘劑降低了主導(dǎo)合金競爭者要求增加的處理溫度。表2鑒別了在撓曲基板上使用的具有潛力的各種合金。無鉛倒裝片面臨具有附加倒裝片挑戰(zhàn)性的無鉛SMT的所有挑戰(zhàn)。先前認(rèn)為工藝生產(chǎn)線將需專用于無鉛或不得不將產(chǎn)品加工兩次，現(xiàn)在已研發(fā)出了允許采用無鉛SMT的一種混合工藝及低共晶倒裝片。一些硬盤驅(qū)動(dòng)制造商為了采購無鉛元件，正在引領(lǐng)此計(jì)劃并與很多供應(yīng)商一起工作。雖然在去除焊劑能力和焊點(diǎn)質(zhì)量方面仍然存在限制，但是采用較高溫度膠粘劑已取得了很大進(jìn)展。 



采用浸液銀，對無鉛產(chǎn)品的成功處理是關(guān)鍵的。它比鎳或有機(jī)焊料性能保護(hù)劑更具潤濕性，并且沒有金潛在的脆性問題。浸液銀的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，在于它不需要像金那樣的鎳底基層。倒裝片應(yīng)用中，采用化學(xué)鍍鎳和金的原因，在于對電鍍技術(shù)而言，得到一起縮減的所有的軌跡是不易的?；瘜W(xué)鍍鎳有較高的應(yīng)力，而且薄的軌跡會(huì)形成裂紋。 

5 結(jié)束語 

由于倒裝芯片涉及到多級互連的相互關(guān)系，為了成功地實(shí)現(xiàn)各種可能的變革，需要相關(guān)技術(shù)共同發(fā)展改進(jìn)。