底部填充工藝在倒裝芯片上的應(yīng)用

倒裝芯片（FC）技術(shù)是一種將芯片直接連接到基板上的封裝方式，它具有高密度、高性能、低成本等優(yōu)點(diǎn)。但是，由于芯片和基板之間存在熱膨脹系數(shù)（CTE）的不匹配，當(dāng)溫度變化時(shí)，焊點(diǎn)會(huì)承受很大的熱應(yīng)力，導(dǎo)致疲勞損傷和失效。為了提高焊點(diǎn)的可靠性，一種常用的方法是在芯片和基板之間注入一種聚合物材料，稱為底部填充（underfill）。底部填充可以改善焊點(diǎn)的應(yīng)力分布，減少焊點(diǎn)的應(yīng)變幅度，延長焊點(diǎn)的熱疲勞壽命。

圖1. 底部填充工藝

底部填充物是一種液態(tài)封裝物，通常是大量填充 SiO2 的環(huán)氧樹脂，用于倒裝芯片互連后的芯片和基底之間。固化后，硬化的底部填充物具有高模量、與焊點(diǎn)相匹配的低 CTE 、低吸濕性以及與芯片和基板的良好粘合性。焊點(diǎn)上的熱應(yīng)力在芯片、底部填充物、基板和所有焊點(diǎn)之間重新分配，而不是集中在外圍焊點(diǎn)上。實(shí)踐證明，應(yīng)用底部填充可將最重要的焊點(diǎn)應(yīng)變水平降低到未封裝焊點(diǎn)應(yīng)變的 0.10-0.25。因此，底部填充可將焊點(diǎn)疲勞壽命提高 10 至 100 倍。此外，它還能保護(hù)焊點(diǎn)免受環(huán)境的侵蝕。底部填充是將倒裝芯片技術(shù)的應(yīng)用從陶瓷基板擴(kuò)展到有機(jī)基板，從高端產(chǎn)品擴(kuò)展到成本敏感型產(chǎn)品的一個(gè)切實(shí)可行的解決方案。

圖2. 使用底部填充的倒裝芯片工藝

倒裝芯片技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)了底部填充工藝和底部填充材料的發(fā)展。圖 2 展示了采用底部填充工藝的倒裝芯片的工藝步驟。芯片組裝前后需要分別進(jìn)行助焊劑點(diǎn)膠和清洗步驟。芯片組裝到基板上后，未填充材料被分配并拖入芯片與基板之間的縫隙中。

底部填充施膠前異物控制
底部填充膠施膠前需確認(rèn)板面和填充面無異物及大量助焊劑殘留，較多的助焊劑殘留會(huì)導(dǎo)致膠黏劑附著在助焊劑殘留物上，后續(xù)使用過程中助焊劑殘留物的揮發(fā)、軟化、變異都直接影響膠黏劑機(jī)械性能，進(jìn)而影響產(chǎn)品可靠性。標(biāo)準(zhǔn)的底部填充施膠工藝要求先將PCBA清洗干凈并烘干，再點(diǎn)膠固化。
底部填充工藝的優(yōu)點(diǎn)有：
1.提高焊點(diǎn)的可靠性，延長產(chǎn)品的使用壽命；
2.保護(hù)焊點(diǎn)免受環(huán)境的侵蝕，提高產(chǎn)品的抗腐蝕性；
3.降低芯片和基板之間的熱應(yīng)力，提高產(chǎn)品的抗熱循環(huán)性；
4.增強(qiáng)芯片和基板之間的粘合力，提高產(chǎn)品的抗沖擊性和抗振動(dòng)性。

底部填充工藝的缺點(diǎn)：
1.增加封裝的成本和復(fù)雜度，需要額外的設(shè)備和材料；
2.需要選擇合適的底部填充材料和參數(shù)，以匹配芯片和基板的特性，避免產(chǎn)生殘余應(yīng)力、裂紋、腐蝕、空洞等失效模式；
3.難以對(duì)封裝進(jìn)行修理或重工，需要拆除底部填充物才能進(jìn)行焊點(diǎn)的檢查或更換；
4.可能影響芯片的電性能，如信號(hào)延遲、串?dāng)_、噪聲等。

審核編輯 黃宇