硅基芯片低空洞率底部填充工藝技術研究

蘭元飛，焦 慶，姬 峰，張鵬哲，孫浩洋，尤 嘉，郭珍榮（北京遙感設備研究所，北京）

引言

三維倒裝工藝具有集成密度高的特點，采用此工藝集成的產品高頻性能優異，在電子封裝領域具有顯著的優勢[1-2]。接收子陣是相控陣天線的重要組成部分，采用三維倒裝工藝裝配數十只接收硅基芯片，在內部實現天線陣面、TR 組件有源器件和饋電網絡各層之間的垂直互聯。硅基芯片與綜合電路板之間采用焊錫球實現電氣互聯，與傳統金絲互聯相比，硅基芯片與綜合電路板之間傳輸距離小，射頻信號串擾小、傳輸延時短。但是綜合電路板與焊錫球硬度低，硅基芯片與焊球焊點、綜合電路板與焊球焊點強度小，因此硅基芯片與綜合電路板間互聯結構耐熱沖擊、機械沖擊性能差[3-5]。采用底部填充膠填充在硅基芯片與綜合電路板之間，填滿焊球與焊球之間，可以減少由于硅基芯片與綜合電路板、硅基芯片與焊球、綜合電路板與焊球之間熱膨脹系數差異引起的熱應力以及由振動等引起的機械應力等對焊點的沖擊[6-8]。低空洞率底部填充工藝技術是解決接收子陣現有三維集成后問題的關鍵工藝技術，對于小型化相控陣天線的研制生產具有重要意義。

1 工藝過程研究

硅基芯片底部填充的影響因素有底部填充點膠針頭選型、倒裝芯片清洗、底部填充膠分配模式等，本文主要對上述影響因素進行硅基芯片底部填充工藝研究，確定適宜的工藝參數。

1.1 底部填充點膠針頭選型

底部填充需采用合適的點膠針頭進行點膠，常用的點膠針頭規格信息如表1 所示，共11 種規格點膠針頭，直徑范圍覆蓋0.24 mm 到1.83 mm。通過對不同的點膠針頭進行試驗研究，結果表明點膠針頭直徑過大則會造成點膠量過多，使得填充膠漫流，對芯片周邊造成污染，如果點膠針頭直徑過小則會造成點膠量過少，降低點膠效率。為保證填充膠的填膠高度，可以選擇大小合適的點膠針頭。

表1 常用點膠針頭

從填膠高度上說，針頭應盡量接近芯片邊緣，同時需讓針頭正好略低于芯片的下表面，沿芯片邊緣所填充的填充劑便會快速均勻地流入底面。填充膠的高度應高于芯片1/2 厚度，以確保填充足夠的填充劑。

焊球高度約為200 μm，芯片厚度為0.2 mm。選擇30 G 淡紫色直徑為0.31 mm 的點膠針頭，點膠針頭的直徑略大于焊球高度與芯片1/2 厚度，此時可以使填膠的膠粘高度與芯片高度匹配。點膠針頭接近芯片的邊緣且高度合適，沿芯片邊緣所填充的填充劑便會快速均勻地流入芯片底面。底部填充點膠示意如圖1 所示。

圖1 底部填充點膠示意

1.2 倒裝芯片清洗條件研究

通過絲網印刷工藝在綜合電路板焊盤涂上焊膏，將硅基芯片倒裝貼合在綜合電路板焊盤相應位置，通過低溫釬焊系統加熱后，將硅基芯片倒裝焊接在綜合電路板上。焊膏中含有助焊劑，助焊劑殘留會增加底部填充空洞，影響底部填充膠固化程度，降低硅基芯片粘接強度，因此在底部填充前，需要將殘留的助焊劑清洗干凈。

采用汽相清洗工藝對綜合電路板進行清洗，過程分為兩個階段：（1） 沸騰區蒸汽清洗；（2） 漂洗區清洗液漂洗。工藝參數如表2 所示。

表2 汽相清洗工藝參數

由硅基芯片側面觀察其與電路板間隙邊緣，如圖2 所示，可以發現除1#、2#樣品外，3#、4#樣品均未觀察到間隙有助焊劑殘留。將3#、4#芯片由中間截斷，觀察芯片中心部位縫隙中的形貌，如圖3 所示，可以看出3#芯片存在少量助焊劑，4#芯片未觀察到有助焊劑殘留。從上述實驗結果可知，利用汽相清洗可將助焊劑清洗干凈。

圖2 清洗前后芯片側面照片

圖3 清洗后芯片中心位置照片

1.3 底部填充膠分配模式研究

底部填充膠具有多種分配模式，研究不同的分配模式對底部填充速度和填充質量的影響，最終選擇填充迅速，但又不把空氣包裹在里面形成空洞的分配模式。底部填充膠分配模式示意如圖4 所示。

圖4 底部填充膠分配模式示意

從圖5 可知，在不同的底部填充膠分配模式中，U形點膠顯示空洞率最高，半L 形點膠顯示空洞率最小。當底部填充膠點膠后，填充膠呈兩維方向流動，邊緣的底部填充膠流動速度比中間的底部填充膠快，U形點膠雖然底部填充膠流動速度快，但是容易包裹空氣形成空洞，如圖5 所示。根據切片照片結果，選擇半L 型點膠分配模式。

圖5 不同底部填充膠分配模式的切片照片

2 性能表征與測試

2.1 外觀質量檢測

對芯片邊緣的底部填充膠進行外觀檢測，底部填充膠呈黑灰色，表面光亮，無開裂、無空洞，從邊緣看底部填充膠完全覆蓋住芯片下方焊球，如圖6 所示。

圖6 芯片邊緣填充膠

2.2 空洞率檢測

對完成底部填充的芯片進行切片分析，結合光學顯微鏡檢查底部填充膠層質量情況，切片照片如圖7所示。從照片可知，底部填充膠層無明顯裂紋或分層，存在部分空洞，底部填充區總空洞率小于10%，單個空洞率小于2%，空洞率合格。

2.3 電性能測試

對接收子陣倒裝焊芯片填充前和填充后的三個不同頻率（A、B、C）增益進行了測試，測試結果如表3所示。從測試結果可知，對接收子陣倒裝焊芯片進行底部填充后，增益減小≤1 dB，滿足接收子陣性能指標。

表3 增益測試結果

對底部填充后的接收子陣進行溫度沖擊、溫度循環試驗。

溫度沖擊試驗條件如下：溫度范圍為-40 ℃～+70 ℃，-40 ℃保持30 min，+70℃保持30 min，溫度沖擊10 次，轉換時間＜3 min。

溫度循環試驗條件如下：溫度范圍為-40 ℃～65 ℃，溫度變化速率為10 ℃/min，極限溫度保持30 min，循環5 次。

對完成溫度沖擊、溫度循環試驗后的接收子陣進行增益測試，測試結果如表4 所示。從測試結果可知，在經過溫度沖擊、溫度循環試驗后，接收子陣增益減小≤0.5 dB，滿足接收子陣性能指標要求。

表4 增益測試結果

結束語

從底部填充點膠針頭選型、助焊劑清洗、底部填充膠分配模式方面研究了倒裝焊芯片底部填充工藝技術，并成功應用至型號相控陣天線的研制生產中。對倒裝焊芯片底部填充外觀、芯片底部填充空洞率以及接收子陣電性能進行了測試，結果表明底部填充后的倒裝焊芯片滿足相控陣天線接收子陣性能指標要求，提高了倒裝焊芯片的可靠性。此項工藝技術可以廣泛應用于其它型號倒裝焊芯片的研制生產過程，為其它型號倒裝焊芯片底部填充工藝的研制提供強有力的技術支撐和保障。