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而言，各項新的要求產生各種新的挑戰(zhàn)。高速度應用的專用集成電路，諸如纖維光導無線電收發(fā)機，會產生大量的熱，為了使其可靠地運作，必須把這些熱從IC中散逸掉。而降低成本一直是消費類產品的關鍵。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 高速度應用
各種互連技術的電及熱特性比較和部分優(yōu)缺點如表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(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及更高的纖維光導無線電收發(fā)機，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的背部在機械和熱狀況下與金屬加強板相連。這是一種高效率的散熱片。倒裝片IC的背部裸露在外，如果沒有很強的空氣移動，那么IC會運作得更熱。COF的金屬加強板能較易地與下一級散熱片進行熱粘附，以便進一步提高性能。 


對提高FCOF熱耗散的一種方法已進行了評定，結果也可應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。熱通孔也可更進一步降低熱導率。 

3 節(jié)省成本 

倒裝片主要成本驅動之一在于下填充物工藝技術。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基板的基本材料，這應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，從而起應力吸收劑的作用。事實上，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，小型焊料凸點也許就會硬化并產生裂紋。本文主要討論三種類型的下填充物：標準邊緣滴涂型、無塑變型和預塑變型。 

邊緣滴涂下填充物工藝過程靠在IC下面產生"燈芯"效應的環(huán)氧樹脂的毛細管作用填充縫隙。典型狀況下，采用非常精密的、全自動化式滴涂機、為了使"燈芯"效應最佳化，對基板進行預熱，并在滴涂工藝后維持溫度直到環(huán)氧樹脂"燈芯"效應完全在IC下而且出現(xiàn)在反面。溫度、焊料凸點模式和滴涂模式都會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合起來．這樣使用就節(jié)省了地而空間、資小和勞動力，消除了氮氣的需求。圖4對邊緣滴涂型和無塑變型下填充物工藝流程進行了比較。 

這些無塑變型下填充物材料包括焊劑(要求焊料凸點回流)和環(huán)氧樹脂(要求消除應力)在把IC放置到基板上之前而不是在焊料回流之后，應用環(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用于焊料凸點。這減緩了揀一放機的速度并使圖像識別更困難。因為SMT最好的焊劑是強腐蝕性的，所以，它肯定與裸IC的可靠性密切相關。如果使用較少活性的焊劑，那么就在N2氣氛狀況下實施焊料回流。當使用有機焊料性能保護劑時，N2氣氛會引起倒裝片焊料的過量焊料潤濕。除了使用N2或不使用N2的權衡外，還需要評定在生產環(huán)境中采用N2回流焊的成本和利用率，將其作為整個工藝成本的一部分。 

當使用無塑變型下填充物工藝時，不要求分離式熔解，因此拾一放操作過程生產率會增加一倍。環(huán)氧樹脂已在IC之下并保護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固化下填充物環(huán)氧樹脂，從而消除或減少對單獨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，避免焊點或IC毀壞并與基板上的導體接觸，因此基板也許會花費更多。 

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

4 無鉛焊料 

要求支持無鉛焊料的基礎結構研究，同20世紀80年代開始的要求從通孔到SMT轉變的狀況一樣。數(shù)以百計的元件供應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、連接器等等，把每個工藝生產線專用于一個或另一個上。如果采用混合技術工藝，那么大多數(shù)應用可適應很多年，電路板可獨立地經受每一個工藝過程。 

采用撓性電路面臨的無鉛挑戰(zhàn)甚至比使用FR4更大，因為在疊層工藝中使用的膠粘劑降低了主導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)。先前認為工藝生產線將需專用于無鉛或不得不將產品加工兩次，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。一些硬盤驅動制造商為了采購無鉛元件，正在引領此計劃并與很多供應商一起工作。雖然在去除焊劑能力和焊點質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展。 



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

5 結束語 

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