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| 倒装片可修复底部填充材料的研究现状及发展 |
| 2008年6月13日 13:35
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于鲲，梁彤祥，郭文利
（清华大学核能与新能源技术研究院，北京１０００８４）
０ 引言
随着信息时代的到来，电子产业得到迅猛发展，并逐渐成为最引人注目和最具发展潜力的产业之一。电子产业的发展带动了与之密切相关的电子封装技术的发展，其重要性也日渐突出。电子封装技术早已从早期的为芯片提供机械支持、保护和电热连接功能，逐渐融入到芯片制造技术和系统集成技术之中。板上芯片技术是电子封装技术的一种，也被称为芯片直接贴装技术，是采用载带自动焊、引线键合和倒装焊等方法，将裸露的集成电路芯片直接贴装在电路板上的一项技术。倒装芯片是板上芯片技术的一种形式，它将芯片有源区面对基板，通过芯片上呈现阵列排列的焊料凸点来实现芯片与基板的互连。倒装芯片的优点主要是消除了对引线键合连接的要求，缩短了互连距离；提高了输入／输出（Ｉ／Ｏ）密度；在电路板上占用空间小；并符合当前微电子封装高密度和小型化的趋势，因此在多芯片组件和三维封装中得到了广泛应用［１］。
近年来，新材料、新工艺的涌现使倒装芯片技术处于不断发展、变革之中。为了进一步降低成本、提高封装的可靠性，对用于倒装芯片的可修复底部填充材料的研究，逐渐成为电子封装技术领域的热点问题。
１ 倒装芯片的可修复底部填充技术
由于有机基板和芯片的热膨胀系数无法保证完全匹配，导致回流焊和温度循环时在焊球处产生很大的应力，严重时甚至可能会引起裂损现象，因此，倒装芯片一般采用底部填充技术来避免这一问题。当芯片与基板之间填充热固性环氧树脂后，由于树脂的粘结作用，应力将被重新分配，使得芯片、基板和焊接点之间的热膨胀系数不匹配程度降到最低，大大提高其封装的可靠性［２-３］ （图１）。
由于当前的技术无法保证所供应的芯片一定完好，使得一些有缺陷的芯片在倒装后的测试中才被发现，这时就需要进行返工修复替换。而现在市场普遍使用的热固性环氧底部填充料具有非常好的热稳定性，并且不溶，这使得在进行芯片替换时无法保证其他元器件不被损坏，导致整个多芯片组件失效，制造厂商必须抛弃整块电路板［４］。作为一种可供替代的方式，一些元器件制造厂商依赖昂贵和耗费时间的离线测试和处理来确保他们所用的管芯是可靠的。因此，倒装芯片集成技术成为一项相对耗时的工艺方法。板级倒装芯片常常被认为是制造过程中的瓶颈，仅在生产高可靠性和高价格的电子元器件时才被使用。
为了解决这一问题，目前，越来越多的研究人员投入到新型可修复底部填充材料的开发当中，常见的做法是，通过在用作底部填充材料的环氧树脂中引入某些薄弱的化学键，使其固化后仍可以再加热［４-１０］或加入化学试剂后分解，使电子元器件能够返工和循环使用。修复过程包括以下六步［１１］：通过加热或化学处理方法迅速降低底部填充剂的粘结强度；用芯片拾取装置取下坏芯片；用高速刷净设备去除树脂残留物；对基板进行检测；更换新的芯片；重新进行底部填充。
２ 可修复底部填充材料的技术要求
２.１ 工业应用及固化性能
底部填充的技术过程在近两年中发生了显著变化，１ ～ ２ ｍｉｎ的流动速度与１ ～ ２ ｈ的固化速度已经不再为人们所接受，而是要求可修复底部填充材料具有快速固化的机制，能够在添加固化剂引发后迅速固化，并且有更好的流动性。在实际工业应用中，主要理想参数如表１。
２.２ 可靠性
由于底部填充材料的作用，芯片的粘结强度得到了增强，其在使用期间的可靠性也得到了明显的提高。为了评估底部填充材料的有效性，需要测定它的热膨胀系数（ＣＴＥ）、玻璃化转变温度（Ｔｇ），对于湿度的敏感性及模量，同时，也要检测其粘结强度在热循环过程中的变化。目前，在工业领域内尚不存在对于测试及需求的统一标准。比较理想的参数如表２。
２.３ 移除性
芯片的移除是修复环节中极为重要的一步，通常使用球栅阵列封装（ＢＧＡ）型的修复设备。修复时间与温度应保持恒定，且芯片移除过程不会对基板造成损害。理想的移除温度与移除过程所需要的时间分别为２１０ ℃、１ ｍｉｎ。
２.４ 清洁性
将芯片从基板上移除后，需要替换新的芯。这就要求将基板上残留的底部填充材料清除干净。理想的底部填充材料应该经过溶剂的简单擦拭后即可彻底清除干净，不会对后续新的芯片的安装造成不利影响。目前，已有使用温和的机械手段与溶液共同清洁基板的报道，虽尚未达到最优化，但已证明可以与现在使用的修复设备兼容。
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