底部填充固化程序對固化后產品微氣孔的影響

陳志健，王劍峰，朱思雄

（中科芯集成電路有限公司，江蘇無錫 214072）

1 引言

隨著封裝工藝的不斷發(fā)展，倒裝焊封裝技術已經逐漸成為封裝行業(yè)的主流技術之一[1-2]。倒裝焊封裝是先在芯片表面制備凸點（Cu柱或SnAg），再將芯片凸點面朝下貼裝到陶瓷或塑料基板焊盤上，通過回流焊接或熱壓焊接工藝TCB（Thermal Compression Bonding）實現穩(wěn)定可靠的電氣互連。底部填充膠作為填充材料，能有效緩解芯片與有機基板熱膨脹系數（CTE）不匹配的問題[3-4]。底部填充膠一般沿芯片邊緣噴涂，毛細力驅動底部填充膠向芯片另一邊緣流動，填充芯片與基板之間的空隙，待膠水填滿后加熱固化，底部填充工藝如圖1所示。由于毛細驅動力較小，填充速度緩慢，所以底部填充是倒裝芯片封裝技術工藝流程中較為耗時、容易引發(fā)產品缺陷的一步。

圖1 底部填充工藝

目前倒裝芯片的焊球節(jié)距不斷縮小，有些產品已經達到90μm左右，同時銅柱型焊球高度一般為58μm（Cu30+Ni3+SnAg25），回 流 焊 接 后 高 度（Standoff Height）僅為40μm左右，如果基板設計不合理，可能不利于底部填充材料的流動，從而在某些區(qū)域產生氣孔[5]。一般情況下，消費類電子產品接受不包含2個焊球的氣孔；但對于軍品電路，其使用環(huán)境復雜，考核條件更為嚴苛，微小氣孔的存在也可能導致長期可靠性失效問題[6]。

馮苗苗等[7]通過對軍用倒裝焊器件底部填充膠選型的基本要求進行梳理，優(yōu)選出4款底部填充膠，通過對4款填充膠進行理論計算與相關仿真，從中優(yōu)選出E1173底部填充膠，通過試驗摸索出了該款底部填充膠適宜的使用條件。萇鳳義[8]等研究了可返修、不可返修和四角綁定3種底部填充膠水對芯片尺寸級封裝體的機械強度、板級安裝可靠性的影響，對各種底部填充膠水的應用性、安全性及可靠性進行了量化評價，為底部填充膠水的選用提供了依據。

張良明[9]認為影響填充膠在芯片和基板之間流動的因素如下：一方面是填充膠的表面張力、接觸角、粘度和硬化反應，其中粘度是主要因素，而溫度又是影響填充膠粘度的主要原因；另一方面是焊球點的布置密度和邊緣效應，焊球點對流動的影響取決于焊球點之間縫隙的寬度、焊球點的直徑及芯片與電路底板之間的縫隙高度，底部填充模型參見圖2。底部填充膠流淌時間tf與膠水黏度μ、芯片尺寸L、焊球高度h以及毛細驅動力△p有關，見式（1）。但是在考慮焊球尺寸以及節(jié)距的情況下，公式可進一步推導為式（3），可見最終影響流動時間的因素為基板表面能σ、接觸角α、焊球高度h以及焊球的尺寸d與節(jié)距W。所以為了適應細節(jié)距倒裝產品，原材料方面最有效的方法就是降低膠水黏度μ，工藝方面最有效的方法就是提高底部填充前基板表面能σ，減小膠水與基板面的接觸角α。基板供應商會選擇合適的阻焊材料，而封裝廠則會采用合適的等離子清洗條件來增大毛細作用，降低膠水流淌時間，提升生產效能[8,10-11]。

圖2 底部填充模型

從原材料方面提升膠水流動性，一般從優(yōu)化膠水化學組成和降低填料粒徑方面考慮。Namics、Hitachi、Henkel等主流底填膠水廠商目前常用填料平均粒徑在0.6～2.0μm，降低填料粒徑一方面增大了工藝難度，另一方面樹脂的分散性與流動性反而會變差。所以改善流動性最佳的辦法即是采用多元固化體系或增加化學助劑降低膠水黏度，但是這些新固化體系或助劑的加入引出一個新的問題——化學組分增多，如果底部填充膠水與助焊劑不兼容或與助焊劑殘留反應，那么固化過程中揮發(fā)性氣體增多，容易形成微氣孔[12-15]，同時供應商給出的膠水推薦固化曲線不一定適用于實際產品。本研究結合實際工程經驗，將不同型號膠水、固化曲線進行組合試驗，成功解決某型號產品固化后微氣孔殘留的問題。

2 試驗材料與方法

本文主要探討底部填充膠水以及固化程序的選擇對固化后產品微氣孔的影響，從膠水型號、膠水固化曲線設置等方面對固化后的效果進行研究和討論。

2.1 實驗材料

實驗選用Namics 3款底部填充膠U8410-73C、U8410-302以及U8410-99，3種膠水的常見參數見表1。實驗的塑封基板均由Simmtech公司生產，基板層疊結構以及厚度見圖3；實驗選用的芯片為硅基芯片，助焊劑為Senju公司的水溶性助焊劑WF6317。

表1 3種膠水物化參數及相關特性表

圖3 實驗用Simmtech基板

2.2 實驗過程

將實驗基板上貼滿硅芯片，每條基板上96顆unit，貼裝完成后正常進行助焊劑清洗。在底部填充前將實驗產品在150℃高溫下全部進行烘烤2 h，之后按A/B/C組實驗條件選用不同的膠水以及固化曲線進行底部填充實驗，固化試驗后15 min內進行超聲波掃描（CSAM）實驗，記錄數據并統計結果。

3 分析與討論

A組實驗使用U8410-73C膠，分別烘烤不同時間后立即進行超聲波掃描分析（C-SAM），發(fā)現在A0、A3、A4、A6組發(fā)現氣孔，如表2所示。

表2 A組固化程序對氣孔比例的影響

A0組為供應商推薦的膠水烘烤程序，氣孔比例達到9.38%，因此有必要對固化曲線進行一定的優(yōu)化。A組實驗首先增加A1、A2分組，降低烘烤溫度為100℃，分別采用20 min與120 min固化，目的在于確認氣孔產生時間與溫度區(qū)間。A1與A2組經C-SAM未發(fā)現氣孔，因為此時固化溫度相對較低，烘烤時間較短，膠水交聯固化反應速率小，氣體量產生較少，此時膠水并未完全固化。

A3、A4、A5、A6組實驗通過增加烘烤溫度與設置分段式曲線進一步確認氣孔產生時間與溫度區(qū)間。試驗發(fā)現A4氣孔比例為5.21%，此時恒溫溫度為120℃，膠水反應速率上升，氣體量釋放增加，同時外圍膠水固化，氣體殘留在內部形成氣孔。對比A3、A5、A6組試驗發(fā)現，第二恒溫段的溫度與時間的設置對于氣孔的消除至關重要，這是因為升高溫度或延長恒溫時間都會使得氣體釋放量難以控制，所以我們考慮將當前的兩段式烘烤再引入一個中間恒溫段，同時控制整個恒溫時間不變，再進行A7組試驗。A7組雖然引入了中溫段，但C-SAM結果顯示采用三段式固化曲線（90℃/60 min+110℃/60 min+150℃/120 min/8 kgf），此時仍有2.08%的氣孔比例，表明增加低溫烘烤時間有利于氣體量的緩慢釋放，但不足以使得氣孔在烘烤過程中完全消除。

A0、A7組C-SAM異常位置如圖4（a）、（b）所示。針對所有黑色異常位置做了統計分布，發(fā)現黑色異常點位置都在邊緣處，異常統計如圖5所示。

圖4 C-SAM實驗異常

圖5 黑色異常點異常統計

異常位置點集中在芯片四周邊緣處，并且氣孔按分布看，出現氣孔的比例芯片右側>芯片上側>芯片下側>芯片左側。這與芯片焊球分布方式以及點膠路徑有很大的關系。因為右側是90μm焊球間距所占焊球比例最高的區(qū)域，接下來依次是下側、上側和左側。這是因為這些位置相鄰焊球間間距最小僅49μm，底部填充膠在流經這些位置時存在一定阻礙，同時固化曲線設置不當容易在這些區(qū)域形成大量揮發(fā)性氣體，短時間內難以釋放。而下側氣孔比例低于上側是因為下側為底部填充點膠邊，膠水在此時流動性最強，毛細驅動力大，所以不太會產生聚集現象。

將A0、A7組試樣進行X-section和P-lapping分析，結果分別如圖6、7所示，該位置黑色異常確認為氣孔，且該位置的氣孔的確如C-SAM圖顯示為不規(guī)則狀態(tài)。

圖6 黑色異常點X-section分析

圖7 黑色異常點P-lapping圖

查看表1中3種膠水物化參數及相關特性可發(fā)現，U8410-73C膠水填料粒徑最小，填料成分占比達65%，玻璃化轉變溫度Tg適中，原則上填充效果應該最好，但多次調整固化曲線仍然不能完全消除氣孔，所以猜測可能是助劑或固化體系的影響，因為對比3種膠水不純凈物離子濃度，U8410-73C是最高的。因此考慮引入U8410-99與U8410-302進行更進一步的實驗。

B組實驗使用U8410-99與U8410-302膠，分別烘烤不同時間后立即進行C-SAM分析，U8410-99填料粒徑偏大，可能填充情況不會太好，因此僅采用工藝常用參數進行一組實驗（B0）。U8410-302適用于該Cu柱型倒裝產品，采用供應商推薦的固化曲線B1與A7組相同的三段式固化曲線進行了實驗（B2），實驗結果見表3。

表3 B組固化程序對氣孔比例的影響

實驗結果表明，U8410-99氣孔比例很高，這與其填料粒徑偏大有很大關系，膠水在流經焊球間距偏小的區(qū)域時，產生樹脂填料等堆積，固化后產品氣孔比例很高。U8410-302填料平均粒徑適中，樹脂含量相對少，在固化反應中氣體釋放量較少，通過控制低溫段固化時間，有利于氣體及時排除，消除微氣孔。B2組C-SAM與切片結果見圖8。

圖8 B2組C-SAM掃描與切片結果

4 結論

針對FCCSP產品固化后存在微孔洞的問題，通過降低低溫段保持時間，增加第三恒溫段，采用90℃/60 min+110℃/60 min+150℃/120 min/8 kgf三段式固化程序，能夠有效解決揮發(fā)性氣體產生的微孔洞，研究結果對于窄節(jié)距FC產品的底部填充具有一定的工程指導意義。