倒装晶片的底部填充工艺

底部填充工艺就是将环氧树脂胶水点涂在倒装晶片边缘，通过“毛细管效应”，胶水被吸往元件的对侧完成底 部充填过程，然后在加热的情况下胶水固化。为了加快胶水填充的速度，往往还需要对基板进行预热。利用“毛 细管效应”进行底部填充的工艺分为以下几个步骤：

·基板预热；

·分配填料（点胶）：

·毛细流动；

·加热使填料固化。

为什么倒装晶片焊接完后都需要进行底部填充呢？我们来看焊接完成之后组件中材料，其中有电路板、元器件 和电路板材料为有机材料，如环氧树脂玻璃纤维加强材料、铜焊盘及线路、焊盘上其他金属和阻焊膜，而元件基 材是硅，还有金属焊球。所有这些材料热膨胀系数都不一致，稍微的热变形可能会造成组件内应力集中的现象， 由于倒装晶片组件的焊点非常小，很容易在此过程中破裂。之所以需要底部填充是因为倒装晶片组件：

①材料之间热膨胀系数不匹配；

②弯曲变形可能造成失效；

③跌落/冲击/机械振动造成失效；

④静态负荷，如散热片工作产生的热量导致失效；

⑤需要提高热循环寿命。

底部填充分为基于毛细流动的底部填充和预先施加胶水的非流动性底部填充工艺.

在图1中，因未进行底部填充，SnPb焊点出现疲劳裂纹。

图1 SnPb焊点，未进行底部填充，出现疲劳裂纹

图2 是倒装晶片底部填充材料特性与结构示意图。

图2 倒装晶片底部填充材料特性与结构示意图

（1）底部填充工艺对于填充材料的要求

对于填充材料的特性，我们要求：

①流动性要好，同时有比较好的润湿能力，能够适应最小的间隙，在流动过程中不容易产生气泡，有较好的形 成圆角的能力。

②固化条件能够和现有的生产工艺流程相匹配。较长的固化时间可能会成为生产线的瓶颈。

③良好的可靠性，譬如，·较高的玻化温度（Tg），与组件相匹配的热膨胀系数（CTE）等。

④与助焊剂有良好的兼容性。有时由于材料选择不当，助焊剂和填充材料之间会产生交互反应，使产品可靠性 迅速降低。

⑤组装完成后，组件能够承受长时间的老化，并且暴露在湿汽中功能和可靠性不受影

响。

⑥组件可以通过无铅湿敏度测试（JEDEC，Level 3）。

在实际应用中，我们该如何选择底部填充材料呢？填充材料的选择是与产品特点相关的，往往需要在工艺和可 靠性间平衡。以下是我们在选择材料时考虑的因素：

·基板材料的不同，硬质板和柔性板要求底部填充材料热膨胀系数会不一样。

·晶片尺寸的大小及离板的间隙会影响胶水在底部流动的速度，较大的元件需要流动速度较快的填充材料，要 考虑填充材料的流动速度是否成为瓶颈。

·填充材料在小的间隙中是否具有合理的流动速度。一般材料都会界定最小的填充间隙，在选择时需要考虑产 品的最小间隙是否满足要求。

·填充材料在小的间隙中流动是否会容易产生气泡，气泡的存在会降低产品的可靠性。

·底部填充材料对上下两侧材料的润湿力是否相近，如果差异太大，会造成流动不完整，或产生气泡。

·填充材料自动形成圆角的能力要强，其对元件基材具有良好的润湿能力，一部分填充材料要能够自动爬至元件 的四个侧面形成圆角。

一些底部填充材料的特性如表1所示。

表1 一些底部填充材料的特性

边缘圆角对于组件可靠性非常关键，它与环境、填料本身的特性、助焊剂及阻焊膜和基板的厚度相关。

边缘圆角厚度是指元件下表面一边与填料由于爬升至元件侧面形成弧线的切线之间的距离，如图3和图4所示。

那么圆角厚度多少才合适呢？3～10 mil对一些在热循环中有较好表现的材料比较适合。太薄则容易与晶片和基 板分离，过厚则在角落出容易出现裂纹，或在附近焊点出现分层。由于胶水分配工艺稳定性的原因，胶水量在10 ％内变动属于正常。如图5所示。

图3 底部填充边缘圆角俯视图图4 底部填充边缘圆角剖视图

图5 底部填充边缘圆角外观图

（2）底部填充工艺控制

基板在底部填充之前需要烘烤，倒装晶片基材是硅，无须烘烤。烘烤目的是为了驱除基板/组件内的水汽，防 止在固化过程中受热蒸发进入填料而形成气泡。基板/组件需储存在干燥环境中，仅在底部填充前烘烤。烘烤时 间依赖于组件/基板的构造，阻焊膜内的水汽一般125℃下30 min便可驱除，但内层水汽即使125℃烘烤2h还不能 驱除。焊盘表面处理方式是OSP的基板需要考虑在烘烤过程中氧化的问题。

一般填充材料在一定温度下毛细流动速度较低温下快，所以底部填充材料都需要预热到一定温度，以便其在元 件底部的流动。板上预热温度可以控制在90℃左右，或依照材料的使用说明设置适当的预热温度。胶水一般保存 在－40～－60℃的低温环境中，使用前需要将其从超低温冰箱中取出回温到室内温度。胶量的控制对于合适的边 缘圆角形成非常关键。我们可以设定如图6所示的模型，进行理论胶量的计算，但是更重要的是控制稳定的胶水 流量，形成满意的边缘圆角。

　图6 理论胶量计算模型

模型建立：总的胶量可以分割成元件底部和四周圆角两

·Vt：理论胶量：

·vs：元件底部胶量：

·Vf：元件四周圆角胶量：

·I：元件宽：

·W：元件长：

·h：元件厚；

·s：元件离板间隙：

·r：边缘圆角在基板上的宽。

·n：焊球的数量

则

填充材料流动速度或填充的时间除了与其特性相关外，还于晶片尺寸大小，离板间隙以及填充材料对元件和基 板的润湿力相关。如果晶片尺寸较大而且离板间隙小，则填充完整需要的时间就长。填充材料对元件和基板的润 湿力差异太大，也会造成填充时间过长，而且可能会产生气泡。填料在元件底部流动的速度还与点胶的路径有关 系，在填料流动方向上阻碍多，如焊点和阻焊膜窗口等，会造成流动速度慢而且容易产生气泡。如图7、图8和图 9所示。

图7 元件面积和流动时间的关系

　图8 离板间隙与填充时间有关系

图9 基板润温度与填充时间的关系

好的点胶路径的安排可以获得非常好的流动效果，而且能降低填料中的气泡。如10和图11所示，路径1（I型）和 路径2（L型）比较常用，应尽量避免使用路径3（U型），因为这种方框型的路径很容易将元件底部的空气封入填料中。即使选择路径1或2，也需要仔细优化画 线的长短和粗细。当画线太长时，会导致两侧部分流动快，而中间部分流动慢，最后将空气封入填料中。这时推 荐使用较短的粗线，在流动方向上让填料中间部分流动稍快，避免产生气泡。但此时需要考虑倒装晶片四周是否 有足够的点胶空间，可不可以避过靠得很近的其他元件。对于周围没有太多空间的情况，有时可以在同—边同一 位置画多道细线来解决。

图10 画线过长，两侧部分流动快导致空气被封入其中

图11 较短的画线，中间部分流动快，避免产生气泡

单路径有利于减少流动过程中卷入的气泡，但是完成填充的时问会长。如果焊盘处在阻焊膜长的窗口中，这时 应避免填料流动的方向与阻焊膜窗口的长度方向平行，因为在这种情况下，在填料流动过程中气泡很容易在阻焊 膜窗口内形成，如图12所示。

图12 填料流动过程中在阻焊膜窗口内形成气泡

填料的固化可以在回流炉或自动控制的烤箱中完成，需要控制加热的温度和时间。不同的底部填充材料需要的 加热温度和时间会不一样，温度比所要求的低或高出10＇C会对可靠性产生非常显著的影响。温度太低，填料不 能完全固化；温度太高，则会带来氧化的问题。加热时间的偏差应该控制在所要求加热时间的⒛％以内，假如⒛ mln的圃化时间，16 min会太短，24 min则会太长。对于一些混合装配，产品上可能有一些热敏元件，长时间的 高温加热会对其造成伤害，这时工艺安排上需要考虑先进行底部填充，然后圃化，再装配那些热敏元件。可能一 些基板焊盘是采用OSP的表面处理方式，多次受热会导致焊盘氧化可焊性降低，如果固化之后还有其他SMT工艺， 则会产生相当大的影响，在氮气中完成固化是有效的解决方案。

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