清洗对倒装芯片组装的影响及应用原则

倒装芯片生产中的难题之一是如何才能在裸片与基板之间的隙缝中形成高质量底部填充,因为它不仅与填充材料本身的性能及流动特性有关,而且还会受到前工序的影响。本文通过实验向大家介绍回流焊后的清洗工艺对底部填充层的影响,并根据结果提出改进建议。

Michael Todd

助理研究员

Dexter Electronic Corporation

mtodd@

Tom Adams

顾问

Sonoscan Inc.

info@

为了对清洗在倒装芯片组装过程中的影响有个清楚的认识,我们设计了一项倒装芯片可靠性测试,实验在Dexter公司进行,Kyzen公司参与了其中部分工作。实验使用一种底部填充材料和多种免清洗助焊剂和清洗剂,希望通过交叉对比找出各种不同材料在应用上的区别。

实验过程

测试的样品是一个氮化硅钝化裸片,有48个外围共晶焊接凸点,间距为0.46mm。在回流焊前分别用三种工业用免清洗助焊剂将焊接凸点固定好,焊接后再用四种清洗剂进行清洗。实验使用两个相似的清洗设备,每个设备各用两种清洗剂,然后用同一种工业环氧基填充料对裸片进行填充。

装配时先将裸片置于0.38mm厚的助焊剂垫上,然后放到FR4层压基板上,在一个最高温度为230℃的五区回流焊炉中进行回流焊。回流焊后将两组样品拿出来作为对比组,其他样品则分别放入两个密封的清洗设备中,使之在清洗剂中旋转清洗。清洗之后,其中一台清洗机用去离子水作漂洗,然后吹入热空气进行干燥；另一台清洗机则用密相CO₂漂洗,然后吹入加热的CO₂干燥。在漂洗和干燥的同时仍然让样品作离心旋转。

将清洗过的样品和对比样品都加热到90℃,然后用一种低应力填充料进行底部填充,这种填充料适用于缝隙小至20μm的半刚性和柔性基板,填充完成后再在一个强制热风炉中以165℃的温度固化30分钟。

固化之后,所有样品都用声波微成像技术进行检查以查找填充层中存在的缺陷,包括底部填充中的分层、空洞和条纹。条纹主要是由于填充剂微粒太集中所致,一般呈纵向分布,与填充材料的流动方向一致。分层和空洞可以用声成像技术检测到是因为它们都存在空隙,这些空隙对超声波基本上呈全反射特性；而条纹能用声成像技术检测则是因为高密度填充区和低密度填充区具有不同的声阻特性。

用声波完成初次检查后,样品再进行JEDEC第3级预处理(30℃/60%相对湿度/192小时),然后是三个最高温度为240℃±5℃的回流焊模拟试验,之后再作声波检查。

最后对样品进行老化试验,条件为121℃/100%相对湿度/2.2大气压/48小时,结束后再次进行声波检查。

实验结果

整个试验过程主要是寻找会降低倒装芯片组件可靠性的缺陷,特别是由于助焊剂残留物和清洗工艺造成的缺陷。

JEDEC第3级预处理后的声波成像显示,对比样品和清洗样品,几乎都没有分层、开裂或空洞,此时在留有助焊剂残留物的对比样品和清洗过的样品之间没有明显区别,同样使用四种不同清洗剂的样品之间也没有明显的区别。

但经过48小时加压老化以后,结果发生了很大变化。在使用第一种助焊剂但未作清洗的样品中发现有明显分层现象,而经过四种清洗工艺(两种清洗设备分别使用两种清洗剂)处理的样品中,一种有效地防止了分层的形成,另一种减弱了分层的形成(但没有完全消除掉),令人惊讶的是另外两种清洗工艺实际上还促成了缺陷产生,反而降低了倒装芯片的可靠性,结果比没进行清洗的更为糟糕。

使用第二种助焊剂的样品试验结果与上述情况基本相似,在对比样品中观察到了条纹和分层,清洗工艺可减少这些缺陷,但都没有彻底清除掉。

从这些试验中可以看到,助焊剂残留物对底部填充剂的流动有明显的不良影响,在固化后的填充层中会造成条纹和空洞。加压老化试验之后,同样的倒装芯片会形成与应力相关的分层,显然这是因为清洗不够而在裸片表面和填充层之间还留有一个很薄的助焊剂残留物层所致。在三种助焊剂材料中有一种残留物最少,最后的填充层中也没有条纹、空洞或分层,但这种助焊剂材料活性不如另外两种材料强,不能在所有的工艺条件下都能保证得到最佳焊点。另外两种的活性较强,留下的残留物也比较多,不过实验中的两种清洗剂都能有效地除去这些助焊剂残留物,使之减少到能接受的水平。

倒装芯片生产工艺

这项研究表明了倒装芯片生产中工艺材料匹配的重要性,特别是清洗剂和清洗工艺必须能够有效地除去助焊剂残留物,而不会造成新的缺陷产生。研究还发现,即使是用免清洗助焊剂也还是有必要增加一道清洗工艺。

实验结果还指出,声波微成像技术可以对生产中所用的助焊剂材料和清洗工艺进行评估,因助焊剂残留物造成的条纹、空洞和分层等都能通过声波成像技术检测到,从而得出倒装芯片底部填充结果的重要判断数据。

在实验中观察到的条纹缺陷是底部填充过程中填充剂微粒分布不均造成的常见问题之一,一般来讲可能有两种分布不均的类型:一种是填充剂微粒朝下向着基板面沉积；另一种是填充剂微粒沿XY方向呈不规则分布。密度有一点不均匀是正常的,也不会造成什么不良影响,但如果基板方向沉积的微粒过多(如由于环氧材料粘度过低而造成),固化时填充层则会形成热性能和机械性能明显不同的两个分层。

这里填充剂在XY向不规则分布可能是由助焊剂残留物引起,也可以是其他原因,如填充剂颗粒过大或粘度过低等。Sonoscan公司经过长期观察发现,填充剂微粒密度高的区域也是容易出现空洞的区域,即使不出现空洞,填充剂微粒密度不同也会导致焊点疲劳失效。

简而言之,从这项研究中可以得出,即使在生产中使用免清洗助焊剂,清洗工艺还是有助于提高产品的质量；其二,助焊剂和清洗剂的兼容性是非常重要的；其三,声波微成像技术可以有助于判断助焊剂和清洗剂的功能特性。