助焊劑殘留對底部填充粘接強度的影響

2022-07-13 | 來源:?本站

隨著封裝工藝的不斷發展,芯片 I/O 數越來越多,高密度芯片封裝必須采用倒裝焊的形式。底部填充作為芯片倒裝焊封裝后的加固工藝,填充膠與倒裝焊使用的助焊劑的兼容性對于研究倒裝焊電路的長期可靠性至關重要。分析了底部填充膠與助焊劑的兼容性,以及助焊劑的殘留對底部填充膠加固效果的影響。若助焊劑清洗不干凈,會導致底部填充膠的粘接力下降,影響器件的質量。

隨著封裝工藝的不斷發展,倒裝焊封裝技術已經逐漸成為封裝行業的主流技術之一。倒裝焊封裝是先在芯片上制備凸點,再將芯片凸點面朝下貼裝到基板上,通過焊接的方式實現穩定可靠的電氣互連。作為加固材料的底部填充膠主要沿芯片邊緣注入,借助于液體的毛細作用,底部填充膠會被吸入并向芯片基板的中心流動,填滿后加熱固化,如圖1所示。

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圖1 底部填充工藝流程示意圖

倒裝焊技術中芯片是由凸點作為媒介,實現芯片與陶瓷外殼產生的互連。凸點需要通過焊接或者電鍍的方式與芯片產生連接,一般通過焊接與陶瓷基板產生連接。在傳統的倒裝焊技術中助焊劑的使用不可避免。一般倒裝焊后會對殘留助焊劑進行清洗,以此來除去助焊劑。清洗干凈的芯片如圖2(a)所示。若助焊劑清洗不干凈,會導致芯片表面出現助焊劑的痕跡,如圖2(b)所示。

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圖2 芯片(帶凸點)表面清洗后的狀態

倒裝焊后工序為底部填充工序,助焊劑的殘留可能會對底部填充產生影響。助焊劑一般由松香、有機酸、有機溶劑等構成;底部填充膠由環氧樹脂、固化劑、填料等構成,其中環氧樹脂與固化劑的反應是底部填充膠固化的關鍵反應。若助焊劑殘留,可能導致底部填充膠的成分與助焊劑的成分發生復雜的物理或化學變化,導致底部填充膠無法正常進行固化。

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試驗材料與方法


本文主要探討助焊劑和底部填充膠之間的兼容問題,主要從凝膠時間、粘結強度等方面進行研究,對混入不同比例助焊劑的填充膠的凝膠能力和粘結強度等進行測試,以此研究助焊劑殘留對底部填充膠的影響。


2.1實驗材料

實驗的陶瓷外殼均由京瓷公司生產,陶瓷種類為A440;實驗選用的芯片為硅基芯片;實驗選用的助焊劑為A公司的水溶性助焊劑;實驗選用C品牌環氧樹脂底部填充膠,其黏度為40~50Pa·s(25℃),填料為硅化合物,含量40wt%~70wt%。


2.2實驗內容

本文主要研究助焊劑殘留對底部填充粘接強度的影響,主要對二者的兼容性進行研究,采用試驗組和對照組進行對比的方法,分別對凝膠時間、粘結性能等進行研究。

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圖3 助焊劑與底部填充膠兼容性試驗流程圖

針對底部填充膠與助焊劑的兼容性,我們分別將底部填充膠和助焊劑按照質量比1:1、2:1、3:1、5:1以及10:1的比例進行均勻混合,各取0.1g樣品在150℃下進行固化監測,每隔10min進行一次檢測,最長檢測至120min(120min為膠本身固化時間),估計出凝膠時間。


隨后用混合后的膠將芯片(5mm×5mm)粘接在陶瓷外殼上,并進行芯片剪切測試,測試其粘結強度。同時,模擬倒裝器件狀態,在陶瓷外殼上均勻涂抹一層助焊劑(約3×10-4g/mm2),使用純膠將芯片(5mm×5mm)粘接在陶瓷外殼上表面,其結構如圖4所示,并進行芯片剪切測試,測試其粘結強度。具體參數為剪切速度254mm/s,距陶瓷面的剪切高度15μm,剪切力極限值為70kg。

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圖 4膠接結構

分別對助焊劑清洗干凈和未清洗的兩個倒裝焊器件進行填充,固化后進行超聲掃描。


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實驗結果與分析


3.1不同質量比的凝膠時間

凝膠時間是指環氧樹脂變稠到拉絲中斷的時間,可以在一定程度上代表環氧樹脂的固化時間。為了確認助焊劑的殘留是否會導致底部填充膠延遲固化或者影響其固化,本文每隔10min監控樣品的狀態,結果如表1所示。

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純膠在10~20min時開始凝膠;比例為10∶1時,20~30min時開始凝膠;比例為5∶1和3∶1時,均在30~40min時開始凝膠;比例為2∶1時,在40~50min時開始凝膠;比例為1∶1時,無法在固化時間內凝膠以及固化;由此可以推斷,助焊劑混入底部填充膠,會延遲固化甚至阻止固化。助焊劑比例越高,阻礙效果越明顯。


3.2粘結性能結果分析

粘結性能主要表征底部填充膠粘結芯片和陶瓷基板的能力,分別將底部填充膠和助焊劑按照質量比1∶1、2∶1、3∶1、5∶1以及10∶1的比例進行均勻混合,與純膠的粘結性能進行對比。

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圖5 不同比例混合的樣品的粘結性能結果

如圖5所示,純膠在70kg的剪切力下,并不會發生失效;比例為10∶1時,未發生失效;比例為5∶1時,粘接力為59.640kg;比例為3∶1時,粘接力為13.174kg;比例為2∶1時,粘接力為4.248kg;比例為1∶1時,粘接力幾乎為0。由此可知,助焊劑殘留量越大,粘接力越低。這說明,助焊劑殘留對底部填充的力學性能具有一定的影響,且殘留量越大,降低粘接性能越明顯。

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圖6 底部填充膠粘接在助焊劑涂層上的粘結性能結果

如圖6所示,純膠在70kg的剪切力下,并不會發生失效;但在陶瓷表面增加一層助焊劑后,粘結性能明顯下降,僅為28.643kg。由此可知,助焊劑殘留量較小,由于位置集中,集中位置的助焊劑濃度增加,仍會導致粘接力下降。這說明,局部助焊劑殘留可以導致粘接性能降低。


3.3超聲掃描結果分析

本文分別對助焊劑清洗干凈和未清洗的兩個倒裝焊器件進行填充,固化后進行超聲掃描。采用反射掃描模式,對器件的底部填充層進行掃描,掃描結果見圖7。


如圖7所示,圖7(a)為清洗干凈的器件進行底部填充后的超聲掃描圖,圖7(b)為未清洗的器件進行底部填充后的超聲掃描圖,由圖中可見均沒有發生空洞和分層。這說明助焊劑未清洗干凈進行底部填充,無損超聲掃描檢測無法有效檢測出底部填充膠與芯片或者陶瓷表面發生分層的問題。

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結論


底部填充在芯片倒裝之后,若助焊劑清洗不干凈,會導致底部填充延遲固化甚至不固化,同時會導致底部填充膠的粘接力下降,影響器件的質量。助焊劑殘留量少但比較集中,仍會導致底部填充膠的粘接力下降。倒裝焊后的助焊劑需清洗干凈,才能有效保障倒裝焊器件的長期可靠性。

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