晶圆上芯片封装的高精度高生产量底部填充工艺

作者: Nordson ASYMTE公司:Hanzhuang Liang

在今天的微电子封装中,元件设计不断地减小,组装密度越来越高,从而使结构紧凑的便携设备具有了更多的功能。为了适应这一趋势,更多的厂家都在采用具有更多I/O和更小凸点尺寸的倒装芯片。因此引入了底部填充工艺,用聚合物环氧树脂填充倒装芯片和基板之间的间隙,有助于在粘接界面减少热和机械应力。在器件封装中,降低成本和小型化的要求,鼓励使用晶圆级封装,如晶圆上芯片工艺。结果,这一工艺面临的挑战激剧增长,因此底部填充也面临着极大的挑战。例如,一年内,采用后芯片工艺封装的器件,填充环氧树脂与附近元件的避让区(KOZ)从700 μm缩小到300~500 μm。

为了应对这些挑战,已开发了一种高精度、高生产量的底部填充工艺。这种填充工艺将应用于晶圆上芯片封装的生产中。在一个案例中,必须以4 000 UPH的速度在300~500 μm避让区下进行填充。正在开发的新设备和新点胶技术将进一步提高生产量和填充精度。

引言

底部填充工艺是倒装片组装的一个重要工序。底部填充使用热固性聚合物环氧树脂填充倒装芯片和基板之间的间隙。底部填充有助于减少由于芯片和基板之间的热失配在凸点上引起的应力,限制焊点的蠕变,并减少在边界界面上产生裂纹。底部填充极大地提高了焊料的抗疲劳强度,并为倒装片互连组件提供了机械支持。

倒装片底部填充技术于1980年推出,并被业界广泛认为是一个技术突破。自1990年以来,它一直是电子封装的标准。目前已有很多关于毛细作用的底部填充技术的综述和论文,因此下面的机制是众所周知的。

沿芯片边缘喷射点涂聚合物环氧树脂,表面张力将流体拉入倒装片与基板之间的间隙(图1a)。喷射意味着液滴或流体有足够的动量从喷射器喷嘴喷射到基板上。底部填充流体的流过时间T与流体黏度和芯片长度的平方成正比,与间隙高度、表面张力和接触角余弦成反比(图1b)。流体流入后,在室温或更高的温度下环氧树脂固化。为了加快填充工艺,可以加热基板(一般为70~90 ℃),以降低流体黏度。底部填充胶应充分填满芯片下的整个空间。

业界对倒装片越来越小和元件密度越来越高的要求(例如30~75 μm高度间隙, 100~200 μm间距),不断地将底部填充应用工程师和科学家推向他们各自领域的最前沿。高生产量的更高密度封装的先进点胶解决方案,为业界重新定义了技术极限。

新挑战

在器件封装中,降低成本和小型化的要求鼓励使用晶圆级封装,如晶圆上芯片工艺。然而,对这一工艺过程的挑战呈指数增长,因此底部填充工艺的挑战也在成倍增长。

最近,已经开发出一种点胶技术,用于便携式装置的后芯片工艺。在基板上致密地组装芯片和元件后,必须在芯片边缘底部填充环氧树脂胶,而且不能污染芯片表面和其他元件(图2)。随着时间的推移,底部填充环氧树脂胶与附近元件的避让区(KOZ)越来越小,从2015年的1~2 mm到2016年初减小到700 μm,从2016年末到2017年初再减小到300~500 μm。

挑战来自小的避让区(KOZ)和高生产量要求,这两个要求比工业标准更严格。例如, 300~700 μm避让区远小于大多数底部填充应用的3 mm,

4 000~5 000 UPH生产量要求远大于大多数高精度工艺的设计要求500~

1 000 UPH。

这种新的晶圆上芯片底部填充应用,为自动高速精密点胶创造了机遇。同时,它给高产能、高精度和高灵活性的点胶行业带来了新的挑战。它要求(1)生产量能够适应高速贴片工艺生产线;(2)尺寸小至0.5~2.0 mm,贴装精度小至0.025~0.050 mm;及(3)沿矩形芯片平滑并精确地点胶。为了满足这些新的需求,必须证明(4)系统在编程和点胶能力方面是灵活的,可以在设计或组装过程中的任何阶段快速适应新的设计。

新方法

为了应对这些挑战,开发了一种高精度、高生产量的底部填充工艺。这种方法是将点胶器迅速准确地移动到位,然后在高频下喷射稀薄的流体。

最初的方法是开发一种新的底部填充工艺,以满足电子组装行业对高精度大批量生产的要求。开发的点胶系统(图3)已应用于实验室和生产线,为先进的半导体和移动电子封装提供更高的可靠性和微点胶。该平台为闭环过程控制、视觉定位和喷射提供了最新技术。优化了硬件设计、点胶控制参数和软件特性,实现了高生产率、高精度和工艺灵活性。先进的阀门技术,可实现高射频喷射循环和高点胶精度,适合不同的应用场合。喷射系统提高生产率:在1 000 Hz的频率下,在10 s的周期时间内点胶多达5 000点。在晶圆级封装应用中,这种点胶平台和喷射系统与以前的解决方案相比,大大提高了生产率和成品率。

这种填充工艺已被应用于晶圆上芯片封装的生产,在5 000~6 000 UPH下保持400~700 μm KOZ。正在开发的新设备和新点胶技术,将进一步达到更高的生产量和精度。

结果

这种新的点胶配置已成功地应用于晶圆级底部填充,运行在高生产量的生产线上,如6 000 UPH下组装智能手机的芯片器件。

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