倒装芯片的高速度、低成本、无铅化挑战

 引言 

对小型精密组装制造技术而言，各项新的要求产生各种新的挑战。高速度应用的专用集成电路，诸如纤维光导无线电收发机，会产生大量的热，为了使其可靠地运作，必须把这些热从IC中散逸掉。而降低成本一直是消费类产品的关键。另外，无铅化封装的全球趋势也对芯片封装提出了更大的挑战。

2 高速度应用
各种互连技术的电及热特性比较和部分优缺点如表1所示。



由表1可看出，由于较低的电感和电容，倒装片的电特性优于表面贴装技术(SMT)、挠曲基板上芯片(COF)或微型焊球阵列(μBGA)。倒装片还具有最低的电阻路径。在极高速度的应用中，使用倒装片的电优越性挑战，诸如10Gb／s及更高的纤维光导无线电收发机，就是为了把热从IC中消除。 

与挠曲基板上芯片(图1)和挠曲基板上倒装片(FCOF)相比，可看出COFIC的背部在机械和热状况下与金属加强板相连。这是一种高效率的散热片。倒装片IC的背部裸露在外，如果没有很强的空气移动，那么IC会运作得更热。COF的金属加强板能较易地与下一级散热片进行热粘附，以便进一步提高性能。 


对提高FCOF热耗散的一种方法已进行了评定，结果也可应用于从倒装片到印刷电路板。采用70％充满铝环氧树脂，把"线轴"型散热片粘附到IC的裸背部，并测量Rja。把Rja从74℃/W降低到65℃／W。热通孔也可更进一步降低热导率。 

3 节省成本 

倒装片主要成本驱动之一在于下填充物工艺技术。在IC和基板之间使用下填充物以便缓冲这两者之间热膨胀方面的差异。 

配制具有热膨胀的有机基板的基本材料，这应与铜电路的热膨胀密切匹配。该匹配可防止铜发生裂纹、加工硬化和剥离现象。因此，大多数具有热膨胀系数(CTE)17×10-6～18×10-6的有机基板增加了每度温度改变的线性长度。硅IC具有的CTE为3．5×10-6.下填充物材料是一种环氧树脂，为了把环氧树脂的CTE从-65×10-6降低到-26×10-6，在此环氧树脂中掺合铝填充物。此环氧树脂有助于防止IC受环境影响，从而起应力吸收剂的作用。事实上，它显著地提高了界面的断面面积。如果没有环氧树脂下填充物，小型焊料凸点也许就会硬化并产生裂纹。本文主要讨论三种类型的下填充物：标准边缘滴涂型、无塑变型和预塑变型。 

边缘滴涂下填充物工艺过程靠在IC下面产生"灯芯"效应的环氧树脂的毛细管作用填充缝隙。典型状况下，采用非常精密的、全自动化式滴涂机、为了使"灯芯"效应最佳化，对基板进行预热，并在滴涂工艺后维持温度直到环氧树脂"灯芯"效应完全在IC下而且出现在反面。温度、焊料凸点模式和滴涂模式都会影响获得无空洞下填充物的能力。然后，在加热炉或输送式加热炉把环氰树脂进行固化。 


无塑变下填充物把IC拣一拾／焊料回流操作过程与下填充物／环氧树脂固化操作过程结合起来．这样使用就节省了地而空间、资小和劳动力，消除了氮气的需求。图4对边缘滴涂型和无塑变型下填充物工艺流程进行了比较。 

这些无塑变型下填充物材料包括焊剂(要求焊料凸点回流)和环氧树脂(要求消除应力)在把IC放置到基板上之前而不是在焊料回流之后，应用环氧树脂(如图5所示)。




目前工艺状况下，在倒装片操作期间把焊剂应用于焊料凸点。这减缓了拣一放机的速度并使图像识别更困难。因为SMT最好的焊剂是强腐蚀性的，所以，它肯定与裸IC的可靠性密切相关。如果使用较少活性的焊剂，那么就在N2气氛状况下实施焊料回流。当使用有机焊料性能保护剂时，N2气氛会引起倒装片焊料的过量焊料润湿。除了使用N2或不使用N2的权衡外，还需要评定在生产环境中采用N2回流焊的成本和利用率，将其作为整个工艺成本的一部分。 

当使用无塑变型下填充物工艺时，不要求分离式熔解，因此拾一放操作过程生产率会增加一倍。环氧树脂已在IC之下并保护IC不受更具腐蚀性的焊剂的影响，所以不需要N2。焊料回流操作过程也会固化下填充物环氧树脂，从而消除或减少对单独的下填充物固化过程的需要。 

由于要求部分类型的焊料密封墙，以便控制焊料润湿性，避免焊点或IC毁坏并与基板上的导体接触，因此基板也许会花费更多。 

预塑变工艺取决于在拣一放阶段需要熔解的凸点，以及在基板上焊料密封墙的需要。维持缝隙，从而提高生产效率和可靠性。 

4 无铅焊料 

要求支持无铅焊料的基础结构研究，同20世纪80年代开始的要求从通孔到SMT转变的状况一样。数以百计的元件供应商不得不采用两种封装类型和外形来制造电阻器、电容器、线圈、开关、连接器等等，把每个工艺生产线专用于一个或另一个上。如果采用混合技术工艺，那么大多数应用可适应很多年，电路板可独立地经受每一个工艺过程。 

采用挠性电路面临的无铅挑战甚至比使用FR4更大，因为在叠层工艺中使用的胶粘剂降低了主导合金竞争者要求增加的处理温度。表2鉴别了在挠曲基板上使用的具有潜力的各种合金。无铅倒装片面临具有附加倒装片挑战性的无铅SMT的所有挑战。先前认为工艺生产线将需专用于无铅或不得不将产品加工两次，现在已研发出了允许采用无铅SMT的一种混合工艺及低共晶倒装片。一些硬盘驱动制造商为了采购无铅元件，正在引领此计划并与很多供应商一起工作。虽然在去除焊剂能力和焊点质量方面仍然存在限制，但是采用较高温度胶粘剂已取得了很大进展。 



采用浸液银，对无铅产品的成功处理是关键的。它比镍或有机焊料性能保护剂更具润湿性，并且没有金潜在的脆性问题。浸液银的另一个优点，在于它不需要像金那样的镍底基层。倒装片应用中，采用化学镀镍和金的原因，在于对电镀技术而言，得到一起缩减的所有的轨迹是不易的。化学镀镍有较高的应力，而且薄的轨迹会形成裂纹。 

5 结束语 

由于倒装芯片涉及到多级互连的相互关系，为了成功地实现各种可能的变革，需要相关技术共同发展改进。