晶圓級(jí)CSP裝配的底部填充工藝

人們對(duì)一些應(yīng)用在手持設(shè)各如手機(jī)和數(shù)碼相機(jī)等上的CSP的機(jī)械連接強(qiáng)度和熱循環(huán)可靠性非常關(guān)注。由于 組件中的各種材料的熱膨脹系數(shù)不匹配，輕微的熱變形就會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力存在于細(xì)小的焊點(diǎn)中。為了改善這種現(xiàn) 象，提高組件的機(jī)械連接強(qiáng)度和熱循環(huán)可靠性，需要對(duì)CSP的裝配進(jìn)行底部填充。但是底部填充需要增加設(shè) 備和工藝，同時(shí)也會(huì)使重工復(fù)雜化，需要綜合考慮。完整的底部填充如圖1所示。

圖1 完整的底部填充

本文介紹的是底部填充方法——局部填充，可以應(yīng)用在CSP或BGA的裝配中。局部填充是將底部填充材料以 點(diǎn)膠或印刷的方式沉積在基板上位于元件的4個(gè)角落處或四周（如圖2和圖3所示）。相比毛細(xì)流動(dòng)或非流動(dòng) 性底部填充材料，應(yīng)用于此工藝的材料黏度較高。如Loctite FP640l，其黏度在室溫時(shí)達(dá)300 000～ 600000Cps。局部填充工藝的特點(diǎn)是：

·底部填充材料被沉積在基板上元件角落處或四周；

·填充材料不會(huì)流動(dòng)，焊點(diǎn)周?chē)荒苡刑畛洳牧希?/P>

·由于焊點(diǎn)周?chē)鷽](méi)有填充材料，重工會(huì)更容易；

·可以選擇UV材料，使用紫外線使填料固化，而不應(yīng)用加熱固化方式。

圖2 4個(gè)角落處做局部底部填充 圖3 4個(gè)角落處儆局部底部填充貼裝示意圖

（1）膠量的控制和元件周?chē)臻g的考慮

在點(diǎn)膠或印膠之前需要精確估計(jì)膠量，過(guò)多的膠量會(huì)污染周?chē)渌脑秃副P(pán)，同時(shí)，過(guò)多的膠會(huì)流入 元件底部污染焊點(diǎn)；膠量太少則元件側(cè)面或角落處的膠爬升不夠。

針對(duì)不同的元件具體需要多少的膠量，沒(méi)有精確計(jì)算的公式，需要通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定。在確定膠量的同時(shí)， 需要考慮周?chē)欠裼凶銐虻目臻g來(lái)施加膠水。一般比較便捷的評(píng)估方法是首先準(zhǔn)備一塊大小和將要裝配的元 件相同的玻璃片，玻璃片的一面具有和元件焊球高度一樣的立高結(jié)構(gòu)，然后將評(píng)估的膠量印刷或點(diǎn)在基板適 當(dāng)?shù)奈恢?，最后將?zhǔn)備好的玻璃片貼在基板上，在顯微鏡下觀察是否有膠污染元件底下的焊盤(pán)或周?chē)渌?盤(pán)，并注意填充膠不要污染元件旁邊的局部基準(zhǔn)點(diǎn)。圖4和圖5是在基板上元件所在位置4個(gè)角落處點(diǎn)膠，材 料為L(zhǎng)octite 35 15，每個(gè)點(diǎn)為0.75 mg，貼上玻璃片模擬元件的貼裝，發(fā)現(xiàn)左上角膠點(diǎn)太靠近焊盤(pán)，可能會(huì) 污染到焊點(diǎn)。所以需要減少膠量或?qū)Ⅻc(diǎn)膠的位置稍向外挪。當(dāng)將膠點(diǎn)的質(zhì)量降到0.5 mg時(shí)，發(fā)現(xiàn)每個(gè)膠點(diǎn)會(huì) 不均勻。

圖4 4個(gè)角落處點(diǎn)膠，材料Loctite 3515每個(gè)膠點(diǎn)0.15 mg

圖5 貼上具有10 mil立高的玻璃片，左上角膠點(diǎn)距離焊盤(pán)太近

圖6和圖7是將CSP貼裝在PCB上以及膠水固化后的情形，其焊點(diǎn)高度相比未經(jīng)局部底部填充元件的焊點(diǎn)高大 約l～2 mil。

圖6 焊球高度為1 0 mil的CSP貼裝在PCB上時(shí)膠點(diǎn)的情形

圖7 回流焊接后膠點(diǎn)固化的情形

在基板上元件位置四周點(diǎn)膠需要注意的是，起始端和終端不要相連，也就是不要形成封閉圖形，以免在貼 裝過(guò)程中將氣體封入元件底部與基板之間的空間，在固化和回流焊接過(guò)程中氣體進(jìn)入填料中而產(chǎn)生空洞。

圖8是在元件四周點(diǎn)膠，材料是Loctite 3509，膠水總重量為45 mg。注意：起始端和終端之間留有約2 mm 的距離，以利于焊接和固化過(guò)程中的排氣。

圖8 元件四周點(diǎn)膠，貼裝和回流焊接，固化之后，膠對(duì)元件側(cè)面良好的潤(rùn)濕

（2）回流焊接及膠水固化工藝控制

回流焊接及固化過(guò)程是需要控制的重點(diǎn)。在同一回流焊接爐內(nèi)，必須先完成焊接，然后膠水才能固化。由 于在焊接過(guò)程中，元件離板高度有一定程度的降低，所以膠水此時(shí)要能夠流動(dòng)。

一般膠水的固化溫度為120～165°C固化時(shí)間為3～30 min，對(duì)于固化時(shí)間要求比較長(zhǎng)的材料，在過(guò)完回流 爐之后，還需要再次加熱，保證膠水完全固化。在選擇材料時(shí)，要充分考慮其固化溫度曲線和焊接溫度曲線 兼容性的問(wèn)題，助焊劑活化溫度和回流焊接溫度高的溫度曲線與固化溫度低或固化時(shí)間短的溫度曲線兼容性 就差，此時(shí)工藝窗口很窄，要獲得滿意的裝配良率會(huì)比較困難。如何設(shè)置回流焊接與固化溫度參數(shù)，以獲得 二者兼容的最佳溫度曲線。

（3）對(duì)四角或四周局部填充的CSP裝配可靠性的評(píng)估

這里討論的是CSP裝配的熱循環(huán)可靠性，利用晶圓級(jí)CSP，采用不同的裝配方式來(lái)比較其在熱循環(huán)測(cè)試中的 可靠性。依據(jù)IPC－9701失效標(biāo)準(zhǔn)，熱循環(huán)測(cè)試測(cè)試條件：

·0/100°C氣——?dú)鉄嵫h(huán)測(cè)試；

·20mln一個(gè)循環(huán)，5 min升溫降溫，5 min高低溫駐留。

測(cè)試樣品采用不同變量的組合：

·wLCSP元器件192個(gè)焊球，0．4 mm間距；

·焊球材料SnAgCu305；

·焊球直徑0.25 mm：

·采用的錫膏SnAgCu305；

·局部填充材料Loctite FP6401，其特性參數(shù)如表1所示；

·測(cè)試基板厚度為0.062，4層，纖維強(qiáng)化FR4，?；瘻囟葹?75℃；

·焊盤(pán)尺寸7 mil；

·焊盤(pán)表面處理方式采用OSP。

表1 Loctite FP6401部分特性

實(shí)驗(yàn)采用WLCSP和實(shí)驗(yàn)用POD分別如圖9和圖10所示。

圖9 實(shí)驗(yàn)采用WLCSP圖10 實(shí)驗(yàn)采用PCB

其中，兩組樣品在元件四周或4個(gè)角落進(jìn)行局部填充，然后在溫度238°C下回流焊接和膠水固化，回流溫度 曲線如圖11、圖12和圖13所示。

　圖11 回流焊接溫度曲線

　圖12 元件四周點(diǎn)膠圖13 元件四角點(diǎn)膠

測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩種點(diǎn)膠方式，在可靠性方面沒(méi)有明顯差異（置信度P＝0.583），但是相比采用錫膏裝配 不進(jìn)行局部填充的樣品，其可靠性提升了將近3倍，其熱循環(huán)性能強(qiáng)烈依賴(lài)于膠水的特性，采用其他玻璃化 轉(zhuǎn)變溫度更高，熱膨脹系數(shù)較低，填充物含量較高的膠水，采用局部填充的裝配方式，其可靠性至少可以提 升5倍。但是周邊底部填充和四角底部填充的方法雖然可有效提升晶圓級(jí)CSP裝配件的可靠性，但需要額外的 工藝控制。

3種裝配熱循環(huán)測(cè)試的Weibull分析如圖14所示。

　圖14 3種裝配熱循環(huán)測(cè)試的Weibull分析

歡迎轉(zhuǎn)載，信息來(lái)源維庫(kù)電子市場(chǎng)網(wǎng)（www.dzsc.com）