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SMTSMT资料高精度 高性能 低成本Fli1.doc

SMTSMT资料高精度 高性能 低成本Fli1

libang911
2018-09-11 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《SMTSMT资料高精度 高性能 低成本Fli1doc》,可适用于工程科技领域

高精度高性能低成本Flipchip組裝技術倒裝片組件是一种表面貼裝組件,其硅芯片模(siliondie)直接到基板上,稱之為直接芯片安裝(DCA,directchipattch)下面就關于Flipchip組裝技術的一些問題与大家探討一下為了使大家能夠更好的掌握本課的主要內容,在開始之前首先討論几個英文縮寫的含義BOAC(bondonactivecircuit)SIA(semiconductorindustryassociation)CTE(coefucientofthermalexpansion)TEC(thermalexpansion)DNP(distancetoneutralpoint)TB(transferbump)BLM(balllimitingmetallurgy)CSP(chipscalepackage)第一節:Flipchip的形式芯片的倒裝形式,好比電影中的翻轉鏡頭,將演示的圖像,面朝下進行觀看對于Flipchip而言,其芯片功能面電极的結合方式是功能面朝下,通過結合后完成組裝目前,半導体芯片電极端的結合方式分為引線鍵合方法和Flipchip方法兩种在消費類產品用封裝電路開發時,大多利用功能面向上的芯片的輸入輸出端,通過金屬絲与引線框進行高速同步地鍵合芯片功能面電极和引線框的連接,金屬絲与功能面的連接稱為一次鍵合,与引線框端子的連接稱為二次鍵合從而完成芯片功能面的組裝,也稱為FACEUP組裝對于Flipchip組裝,芯片功能面電极端向下,其輸入輸出端子与基板上已形成的電极端通過直徑在微米程度的接合(JOINT)來完成連接.FlipChip的特徵用於FlipChip的芯片是以陣列狀配置成員性的凸點(Bump),是FlipChip接合用的焊料稱爲焊料ChipBump或者焊料Bump,這個凸點的直徑和相隔間距按照製造廠商和不同類型芯片是不一致的近來隨著芯片組裝密度的增加其選用數值正在逐步縮小。通常採用真空鍍敷或電鍍的方式在芯片内部佈綫所暴露的鋁端子(電極)上形成焊料凸點當與所載的基板組裝時利用倒裝焊接法將芯片的焊料凸點對準基板電極由焊料的熔融形成接合芯片一側形成的焊料凸點往基板上組裝時對芯片端子而言不會施加打的應力因此可以在設計時將端子設計在芯片内部電路上在進行組裝接合這個組裝形式可稱爲BOAC(BONDONACTIVECIRCUIT)這是FLIPCHIP組裝的最大特徵也是最明顯的有利點。另外用於引線鍵合的芯片一般都將電極端子配置在芯片的周邊將芯片内部鋁佈綫的終端露出以次作爲鍵合時對芯片端用直徑為UM左右的金絲利用超聲波進行鍵和如果鍵和中(超聲波頻率:KHZ)發生芯片震動可通過G左右的負荷即由金線將端子壓住同時進行鍵合由此可以説明作爲引線鍵合用的芯片其連接端子設計採用周邊配置形式是必要的。作爲芯片結構上的特徵芯片的FLIPCHIP組裝和引線鍵合組裝上其特徵上有較大的影響首先對應的是間距很小的且不斷增加的端子密度芯片上必須設置一定數量的輸入輸出端附加電壓及接地的電源端子但究竟使用何種方式配置芯片功能面的各種端子只有利用FLIPCHIP方式進行芯片設計是合理的如果以UM的間距進行配置配列行數為行的話最多的FLIPCHIP可配置個端子。引線鍵合方式的芯片因爲在芯片周邊配置區域以外的領域不能再進行端子的配置以配置間距為UM遍長為MM的芯片為例端子的配置很可能會踫到極限而在芯片的角部多少回產生一些間隙使已配置的端子會出現擁擠狀在配置的端子數超過時將給配置帶來困難。另一種方法是將端子的配置作二排交錯狀配置。組裝時引線必須向外側的引線框拉出並使内側的端子引線環長度加長或者產生引線相互閒的接觸實際上的結合組裝間距是不小的。今后FLIPCHIP連接間距的逐漸縮小,輸入輸出端子將達到高密度的形式,當前可做到的最小間距在微米左右,如一塊MM的芯片,以X矩陣配置的話,最大可配置個端子利用引線鍵合方式的芯片,就芯片單位面積而言,能夠產生的端子數較少,譬如,使用邊長為MM的芯片,用引線鍵合方式大約可配置個端子,用FLIPCHIP方式只要MM即可這就是FLIPCHIP的高密度所在.組裝中對熱應力的挑戰解析組裝中的熱應力關鍵是材料的熱膨脹係數CTE(Coeficientofthermalexpansion)或者TEC(Thermalexpansioncoefficient),對陶瓷基板Flipchip結合的材料問題首先芯片為ppm℃,沒有佈綫層的硅芯片的ppm℃,具熱膨脹係數~ppm的聚酰亞胺在形成佈綫後由硅和聚酰亞胺各種厚度及彈性模數的比率作用將會生成各種不同的熱膨脹係數(組裝時將上升ppm)結合用焊料的組成其係數為~ppm陶瓷基板一般都採用氧化鋁材料其係數為~ppm在混入玻璃粉做成的玻璃陶瓷後將降低程度。芯片在工作時產生的發熱是指芯片在工作衝本身的的工作溫度上升並通過接合部焊料傳達到基板使基板溫度上升考慮到溫度上升後到達飽和狀態的時間如前所述各個部分會隨熱膨脹係數變化而膨脹這裡將整個組裝結構中的芯片作爲中心來分析從芯片中心向左右兩側作均等的膨脹芯片中心向左右兩側延伸ppm℃,陶瓷基板的中心向兩側延伸為ppm℃芯片和基板閒的焊料接合處因爲所用的微量焊料可認爲是隨意性地延伸在考慮到各個方面的延伸累積一般在靠近芯片端的接合處容易發生由於熱膨脹係數差而造成的尺寸偏差。這個偏差按ppm的級別好像不值得提起實際上還是由一些影響如:一塊遍長mm的芯片從芯片中心到最遠一點的接合部約為mm的距離這個距離是均等的由於熱膨脹係數的差為=ppm℃其生存的尺寸偏差為*()=也就是說每℃將會產生um的尺寸偏差在溫度到達℃時尺寸偏差為um,黨所用的焊料接合直徑在um存在變化量為在經過個溫度循環周期後這個接合點將由疲勞破壞而造成斷裂焊料的疲勞破壞壽命是各方向變形量的相乘平均依存於平均等效變形把這個方式推定為正確的計算方式則完全可以通過熱膨脹係數來進行簡易的計算。在由尺寸差顯示的應力狀態中,在遠离芯片中心的距离內,因熱膨脹系數差發生位置的偏移,一般將這個距离稱為DNP,這是關系到FLIPCHIP結合壽命的一個重要參數產生位置的偏差,是在結合部的芯片側端子和基板側端子施加了反方向的力F,並形成了剪切力通過這個剪切力對遠离芯片中心的芯片一側會產生壓縮應力,靠近的端子會產生拉伸應力,基板一側的端子恰好產生反向應力焊料的剪切力與焊料接合的疲勞破壞有相應的關係對芯片端子一側生存的應力會發生芯片絕緣層的破壞。隨著接合層金屬彈性模量的上升這個應力會逐步增長因此選擇什麽樣的結合材料是很重要的。由於DNP的限制Flipchip往陶瓷基板組裝時芯片尺寸會成爲基本的界限結合層内部芯片的角步接合處據芯片最大的DNP特徵也就是說芯片的壽命最短處。尺寸大的芯片形成的DNP就大接合部的變形會相應增加同樣芯片的工作溫度越高所造成的變形越大因此在芯片設計中將靠近芯片中心部的結合使用一層轉換式凸點的芯片佈綫層技術(TransferBump)把芯片一側的凸點映現在照片上好比給芯片中心加入規定的圓這樣的設計方式可能會損失一部分佈綫層成本和電性能要是接合部可靠性得到本質性的提高減少基板的熱膨脹係數是必要的比如使用氮化鋁等材料可能加工上有困難同時會增加成本。對陶瓷基板的Flipchip接合材料常使用含鉛高的高熔點焊料可以說由柔軟的鉛的塑性變形希望能減小組裝應力錫的成分一般在以下共晶焊料也可以用於接合但共晶焊料的彈性模量比多鉛的高熔點焊料高倍在相同的DNP情況下接合壽命是很短的因此採用共晶焊料的Flipchip都通過樹脂封裝進入應用領域。.低成本基板的利用從多年前發現利用Flipchip形式可以達到高密度、高性能目標但開始只是使用在成本較高的陶瓷基板上對於應用面廣、範圍寬的使用只能讓位於使用引線鍵合方式的塑封性器件到八十年代半導體芯片的組裝仍然由於性能噪聲及成本問題沒有邁入高密度、高性能領域。對於用樹脂類基板的普及性存在兩個問題:一個是由於樹脂類基板的熱膨脹係數大玻璃環氧基板的熱脹係數為~ppm℃,與陶瓷的熱脹係數相比將要大數倍為克服這個弱點採用在芯片與基板的間隙閒嵌入環氧樹脂即可以將接合應力加以分散的數值封裝性Flipchip組裝技術。第二個是樹脂基板的耐熱性問題高熔點焊料的芯片凸點回流時焊接溫度將加熱到℃對於耐高溫的陶瓷基板來説不成問題但對於樹脂類基板而言肯定會燒焦為克服這個應用的關鍵問題於是就將共晶焊料作爲接合用焊料但基板一側端子形成共晶焊料的基版凸點通過這個焊料的熔融完成接合形式從而實現封裝型的Flipchip組裝。封裝樹脂具有使芯片與基板給於粘接的效果在已經接合的相對位置上即使溫度變化也不會發生偏移在沒有封裝樹脂場合芯片和基板會由於各種熱脹係數發生任意的拉伸或壓縮這時如相對位置沒有變化是指焊料接合部上下的端子因不同方向剪切力不發生作用故不產生變形。然而延長樹脂封裝接合部的疲勞壽命試驗陶瓷基板平均等效變形在將改變為以下在℃熱循環試驗時試驗周期可發展到一萬次以上樹脂封裝型Flipchip的實用化可以説是利用低成本的數值基板在其結構上也並不是高密度複雜的製作為Flipchip進入普通基板組裝領域奠定了基礎也就是說在高密度的多層式樹脂基板上實現了高密度Flipchip的組裝。利用有限單元法進行應力解析的結果説明Flipchip的樹脂封裝形式可顯著增加Flipchip接合部的壽命芯片和基板閒的應力狀態不管在x軸的哪一個部分都是固定的由於這個固定形式儘管芯片的尺寸大小發生變化其接合部的應力也不會得到改變如果產生少許的彎曲變形從理論上將不同的芯片其接合可靠性是一致的實際上封裝型Flipchip的普及應用已經明顯緩和了DNP的限制。利用應力解析有時會有少許變形量的增加這是芯片端經樹脂封裝後形成一個平面在一個大的平面上產生的拉伸應力所致。例如芯片厚度um基板厚度um加入封裝樹脂後的間隙為um,從周邊到um的位置將會增加少量的變形應力這種情景對陶瓷基板可能有一定的接合壽命影響這裡的影響是不大的。如果周邊的應力和芯片角部重合在一起在組裝使用上要注意到平面應力的存在和芯片角部這個特異的位置。利用應力解析有幾個内容應加以重視對熱膨脹差生存的應力在芯片和基板的撓度變換時應明確由這個撓度變換產生的應力約這時如加入使基板中心部不彎曲模式的限制條件可以判明封裝樹脂内的應力值會上升那麽餘下的應力去了什麽地方應該是被樹脂本基板本身所吸收。和陶瓷基板不同樹脂印刷基板的彈性模量很低熱脹差應力通過封裝樹脂時將會在樹脂基板中得到分散。另外芯片在基板的兩面組裝很可能達不到對稱式的組裝以基板中心作爲約束條件比較有利實際上這和不允許發生彎曲的封裝、包裝性質是一樣其中得應力會增加接合部壽命大致會減少七成但是對於陶瓷基板場合因增加的壽命是數倍的即使減少七成也不會造成什麽大問題。作爲兩面組裝時的工藝設計各部分可能上升的應力值在選擇材料時就要做出合適的對策。到目前爲止不僅高熔點焊料可作爲Flipchip使用其他例共晶焊料或加入成分的焊料無鉛焊料隨著焊晶或適用範圍的發展上述這些焊料都可能在Flipchip上使用。封裝樹脂Flipchip的應用獲得了與陶瓷基板上應用的相同效果有時在陶瓷基板上也偶然看組裝著封裝型的Flipchip不過就陶瓷基板本身性質而言因基本上不吸收應力這種組裝方法的壽命效果還不如使用樹脂類基板的場合。加速試驗的種類評價Flipchip組裝可靠性的加速試驗主要有下面個項目、熱循環加速試驗(Thermalcyclestresstest)選用的溫差分別為℃、℃、℃。對於陶瓷基板場合可選擇較大的溫差的試驗方法。樹脂封裝的Flipchip因主體是環氧樹脂在常規類產品場合使用的試驗標準為:溫差℃(周期)℃周期℃周期。採用的試驗溫度設定要充分注意環氧類樹脂有波化點(Tg:Glasstransitiontemperature)當溫度大於℃超過Tg時環氧樹脂會軟化。玻璃環氧樹脂的熱脹係數在ppm℃左右時環氧樹脂也會軟化當内部玻璃纖維的熱脹係數在~ppm℃整體的熱脹係數會降低因此試驗的最高溫度不能抑制在Tg以下時就得不到試驗的綫性。多層樹脂基板在組裝Flipchip後採用℃~℃溫差為℃進行加速試驗是適合的。、溫度濕度偏壓加速試驗(Temperaturehumiditybiasstresstest)該試驗條件:溫度℃相對濕度偏置電壓的設定根據產品對象是不同的在使用多層樹脂基板時考慮到絕緣層的厚度一般限制在V程度内在這個條件下以個小時作爲標準值。、高溫加速試驗(Hightemperaturestresstest)使用溫度為℃是對芯片本身的一個試驗不針對基板的可靠性。但實際的關係黨對基板的主體不能保持完好的連接時對芯片的試驗也不能展開。如使用環氧樹脂基板在℃、小時程度會發生炭化或者出現燒焦狀態但仍可完成佈綫連接的功能標準值是℃小時。也可以用℃小時來代替。、壓力試驗(Pressurecookertest)使用溫度濕度偏壓試驗試驗途中如加入檢驗時間至少需要個月時間PCT是在增加溫度濕度在飽和狀態以上的高加速試驗。比如陶瓷類模式的堅固封裝使用℃atm對多層基板和注入式封裝樹脂來説就屬於過嚴的破壞性試驗。作爲適宜的實驗條件可選用℃V的PCBT這樣可獲得相當於℃V的溫濕度偏壓試驗。但對腐蝕方面的故障不能檢測。、液相熱循環試驗(Wetthermalshocktest)這屬於氣相試驗由試驗片在負載狀態下一下子丟失懸崖狀的升溫曲綫是比使用液體更嚴厲的試驗。這是一種急劇的溫度變化衝擊對有機材料封裝來説已超過了材料的強度範圍。另外有機材料一般在受到氧化後會惡化這個試驗已否定了氧化的影響採用加速的方法是否真正使用還存在問題。.作爲BGA應用及其可靠性下圖是BGA在主基板上的組裝接合示意是在℃溫度變化場合BGA接合部發生應變的狀況。這裡用兩種不同熱脹係數的陶瓷基板(ppm℃,ppm℃)包含在多層樹脂基板上組裝不同熱脹係數的BGA進行比較(芯片尺寸mm)。橫坐標表示從BGA接合的基板中心及間距數基板厚度一般為mm接合部間距mm。陶瓷基板的熱脹係數比多層樹脂要小圖中由基板尺寸的大小和熱脹係數差對尺寸變化進行纍計。從基板中心部向外側移動接合部的應變在增加這個情況與無封裝的Flipchip組裝是相同的圖示的二種陶瓷基板不管在哪種場合接合的位置越靠外側其應變量越大熱脹係數小的基板(BGA片基)與熱脹係數大的主基板比較就存在更大的應變陶瓷基板的BGA與Flipchip的使用有相同的DNP問題所以尺寸太大不能使用。多層樹脂片基基板本身的熱脹係數與主基板差不多在基板外週的應變不會增加但是對於陶瓷基板來説同樣外側的接合應變不會太大主要是芯片下面的接合應變是大的。其接合狀態會因熱脹係數差產生撓曲。把多層基板作爲BGA使用的襯墊時在主基板組裝時會因溫度上升是撓曲發生暫時性的復員。BGA用基板大體上以平面狀與焊料連接。焊接後恢復到常溫時。在芯片附近有撓曲存在其他部分因與主基板不存在熱脹係數差基本上用平面狀態進行接合。BGA在實際應用中可從熱循環疲勞破壞試驗來觀察其對接合位置的依存性。.作爲CSP應用及其可靠性比BGA封裝更小的組裝形式是CSP(Chipscalepackage)。芯片式封裝。其芯片占的比率大所以整體的熱脹係數與芯片接近。其封裝形式接近於裸芯片組裝難度與裸芯片差不多同等。BGA熱脹係數中裝載芯片部分以外的BGA片基的熱脹係數與主基板的熱脹係數同樣是ppm℃。裝載芯片的那部分屬芯片與片基的復合型熱脹係數狀態ppm℃在芯片與基板接合的那部分隨著溫度的變化其狀態是上下活動的。但這時接合部周圍上下的熱脹係數是相同的且BGA接合點還起著相互支撐、幫助的作用故不易發生活動。對於CSP而言接合狀態發生了很大變化很大一部分屬於支撐的面積沒有了片基以ppm℃的熱脹係數直接與主基板組裝這種狀態相當於無封裝裸芯片的組裝在執行條件相同的熱循環試驗時對CSP接合部而言按角部、周邊、中心的次序會發生故障對CSP的組裝用類似無樹脂封裝的Flipchip組裝來比擬的話是相似的。CSP用的基板差不多在全域範圍内與熱脹係數低的芯片進行著抗爭。當熱循環不斷增加時對DNP大的接合部將受到較大的剪切力直至發生疲勞破壞因此CSP的使用基本上可以同裸芯片的使用相同對待。.錫鉛銦焊料的利用利用引線鍵合裝置做成的金凸點做成樹脂封裝Flipchip組裝後的截面可以看到封裝樹脂的應力分散效果。所用的焊料不是錫鉛共晶焊料如使用共晶焊料焊料中的錫和金接合後會形成金錫金屬化合物這個化合物在溫度升高時將成長並在熱循環中增加體積與焊料中爭奪錫會紛紛落下來另外金凸點和共晶焊料的組合其Flipchip接合部壽命只有焊料芯片凸點場合的其次是各個接合部位狀態存在大的偏差對可靠性造成影響。解決這個問題可以分別減少錫和鉛的成分加入適量的銦由此開發使用了錫鉛銦焊料。銦是非常柔軟的材料利用這個特性在錫成分減少的時候可以防止粉狀脫落。由於銦焊料不能經電鍍等工藝做成凸點是唯一的通過焊料注塑做成的基版凸點的應用工藝手段。.銦焊料的利用作爲Flipchip的組裝面而言錫鉛銦焊料的開發應用可說成是一種新的應用工藝但在BGA的Flipchipjoint對使用的焊料熔融來説在芯片裝載時需要進行一次BGA片基安上焊料球時熔融一次將BGA組裝到基板時在進行一次一共是三次熔融。錫鉛銦焊料的熔點低(℃)在BGA錫球接合與錫鉛共晶焊料同一刻熔融時會促進金屬閒化合物的生成。為阻止這個問題發生儘在片基一側使用銦試驗表明金和共晶焊料的組合其使用壽命最端金和銦的組合接合部的壽命差不多比多鉛型的高熔點要好。目前採用金銦焊料的接合joint已開發應用同時還實現了無鉛型FlipchipJoint(試驗分析略).冷卻的設計進行冷卻設計的第一目的是保證整個系統的可靠性要求。是以芯片爲主體的包括元件溫度保持允許值範圍内。半導體的溫度允許值用最高接合溫度Tjmax來表示也是芯片的最高工作溫度。半導體工作中的溫度上升可能會發生點性能惡化也就是說對芯片的功能如進行有限的冷卻能夠產生好的結果從成本性能而言Tj一般定位℃這在芯片的產品目錄數據上市相同的實際使用中經過冷卻設計工作溫度在~℃程度。芯片發熱有兩種因素一個是由於芯片組裝各部位的熱膨脹所致另一個是各種不同材料的熱脹係數差而產生的熱應力所致。冷卻設計的基本要求應根據工作系統的要求事項、制約條件的情況下進行設計。設計方案施行後必須把設計應用結果反饋以作必要的修改。制約條件等主要指使用環境因素、芯片允許溫度、發熱分佈度、組裝間隙限制等。.散熱器的性能散熱器的冷卻特性可以用表示冷卻性能的熱阻形式來説明。Rh=(asf)。Rh指散熱器的熱阻。A平均導熱率s有效散熱面積f散熱效率。性能指散熱器對空氣的導熱率並由散熱效率來決定。這時意味著熱阻越小冷卻性能越高。對Rh等比例在a對空氣的導熱率就高説明Rh數值小。同時導熱率由散熱器表面的空氣及溫度差來決定。周圍的溫度越高散熱器就越熱這時數值就大。以比例s來説散熱器的面積大説明Rh值越小散熱效率:如果設置的散熱片過密在散熱片表面的溫度影響將影響到相鄰的散熱片表面。增加散熱片數量雖然散熱面積增加了但效率數值降低。另外散熱片間距小的話由散熱面積的增加可使散熱器的熱阻減小。但是對於導熱率通路阻抗增大將使流速降低流動的場合應該取得最佳數值。Flipchip組裝冷卻是在芯片北面裸露的情況下裝上散熱片的因此不能期待基板的冷卻能力另一方面引線鍵合方式的芯片是芯片背面置於基板功能面組裝引線這種狀態不能安裝散熱器這時就要求所用的基板應持有相應的散熱能力即基板要滿足佈綫與散熱兩方面的要求發熱量大的芯片一般來講都是高價的複雜性的芯片從這個方面看高密度、高性能的芯片最好使用Flipchip組裝形式。BGA接合位置最大平均等效應力()陶瓷基板(ppm℃陶瓷基板(ppm℃)印刷基板(ppm℃)基板封裝樹脂芯片導熱膏散熱片

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