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倒装芯片的可修复底部填充技术
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The Reworkable Underfills Technology for Flip
Chip
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■华东计算技术研究所 胡志勇
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板上芯片技术（Chip-on-Board 简称COB），也称之为芯片直接贴装技术（Direct Chip Attach 简称DCA），是采用粘接剂或自动带焊、丝焊、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COB中的一种（其余二种为引线键合和载带自动键合），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衬底的互连。
它提供了非常多的优点；消除了对引线键合连接的要求；增加了输入/输出（I/O）的连接密度；以及在印刷电路板上所使用的空间很小。与引线键合相比,它实现了较多的I/O数量、加快了操作的速度。
倒装芯片的底部填充
为了能够满足可靠性要求,倒装芯片一般采用底部填充技术。这是因为在回流焊时，焊球处在很大的应力作用下，此刻机械作用力和热循环应力可能会引起它们的裂损现象。而底部填充所采用的材料通过一种强力粘接型的环氧树脂胶将其拉紧，降低和重新分配了应力。将芯片、电路板和焊接点之间的热膨胀系数（coefficient
of thermal expansion 简称CTE)不匹配现象减小到最低。
对倒装芯片来说，大多数情形下，当管芯被连接和底部填充以后就不能够进行测试了。如果发现芯片有缺陷，制造厂商必须抛弃整块电路板。这是因为无法保证在不损害PCB基板的情况下，清除掉粘接剂残余物。
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。在离线测试中，倒装芯片和电路板通过回流焊接工艺处理，然后取出进行离线测试。如果管芯被证实可靠，电路板被重新放到生产线上进行底部填充；如果有问题，就替换上另外一块芯片，再按此流程重新测试，直到合格。
因为这些原因，倒装芯片集成技术是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，仅仅生产高可靠性和高价格的电子元器件时才使用。
然而，业界最近已经引入了可修复的底部填充技术。它允许很快地进行测试和替换有缺陷的芯片。新的可修复底部填充材料将允许倒装芯片在测试后，当确认该芯片有缺陷时进行替换操作，从而将把整个电路板丢弃的可能降低到最小。这对于复杂的、昂贵的多芯片模块封装(multichip
packages简称MCMs)来说尤其重要。
可修复底部填充技术
美国Loctite公司开发和制造出的一种可修复材料是一种环氧树脂基的液态底部填充材料，当它处于150℃至165℃的环境温度时，可以在5到15秒的时间内进行固化。这种可修复热固性底部填充材料适合于聚酰亚胺钝化（polyimid
passivated）的倒装芯片、CSP和BGA组装件。它是从有专利权的树脂制品中开发出来的。当加热到设计温度(至少210℃,通常情况下加热工艺温度为220℃至230℃之间）的时候，可以发生熔化现象。残余下来的粘接剂通过磨擦处理，可以从PCB基板上去除掉。
这种可修复材料主要依靠一种有专利权的环氧树脂单分子物体，它被添加到底部填充材料的配方中，可以满足组件在加热后进行修复工作。美国Loctite公司和美国Cornell大学共同合作开发和优化了这种新的单分子体的合成法。这种创新的环氧树脂材料在美国国家和国际化学管理组织(TSCA和EINECS)进行了登记注册。这种能够大量生产和利用常规办法开发的材料是修复工艺过程能否顺利进行的关键。
与传统的底部填充相比较
在绝大多数情况下，新型可修复底部填充材料与传统底部填充材料具有完全相同的毛细流动能力。它们之间最大的区别在于可修复底部填充材料在熔化的状态下，承受焊料的回流温度加工处理。
可修复的和传统的急速固化、快速流动的底部填充材料是由０到50%的填充料所组成。它们可以在-55℃到125℃的温度范围内可靠地使用，其填满25微米间隙的速度很快。对于常规的消费类产品应用来说，它们能够很好地满足使用要求。这些材料可以在5分钟或者更短的时间内进行固化。在实施涂布工艺的时候，可以使用同样的设备和工艺流程，缓缓地进行底部填充工艺处理。这样可以使用同一设备在一个小时内加工处理许多部件。
开发可修复底部填充材料的关键在于寻找一种方法。它能够很快地取下元器件，便于清理并在用于替换元器件的位置上作好下一步工作的准备。当第二个元器件被安置好了以后，它可以保持良好的可靠性。
修复工艺实际上分为3个部分。待修复元器件在220℃到230℃的温度条件下加热1分钟或者更少的时间。然后管芯通过镊子取出或者通过真空吸咐装置利用轻微的扭转来破坏最后的粘接剂。当底部填充材料的大部分通过有关设备去除掉后，一些残余物仍会留在PCB基板上，尤其是在填角区域。
然后可以采用不涉及溶剂和酸性物质的简单的工艺规程，来仔细地去除掉所剩下的残余物。一台高速刷净设备，通常被称为“清洁工”，可以清除掉有缺陷元器件被去掉以后所剩下的任何残余物。由于过度的对电路板施加压力会危及到焊料掩膜或者金焊盘，对“清洁工”所施加的工作压力必须认真予以控制。在开始工艺处理开发期间，洁净度可以通过FT-IR分析装置进行外观检查来进行确定。在清洁处理期间，即使一些金被清理掉，在重新安置器件以前不会进一步要求对该位置进行处理。
为了能够去除底部填充的残余物，人们继续寻找一种非物理的处理方法。这将可能要求开发出一种新型的单分子体，它在低于现如今环氧树脂单分子体可修复的240℃以下时，能开始有效进行分解。
可靠性测试结果
对于修复操作来说最后一项工作是测试用新芯片替换原有芯片的能力。作为一项新的装配操作，修复装配应该拥有与先前一样的可靠性。为了能够确认重新替换上的倒装芯片组件在整个使用寿命期间的可靠性情况，需要对各种参数进行测量。符合一些确定的目标值，一般来说能够预示其具有良好的可靠性。对于底部填充材料来说，测试参数一般为测试热膨胀系数（CTE)、转变温度（Tg）、耐湿性（上升气道）以及模量。性能特性是热循环特性和粘接特性。其它需要测量的参数是最低离子容量和
辐射，以及稳定的介电常数等。
可修复底部填充材料的可靠性和性能已经被证明能够比得上传统的板级底部填充。对于CSP器件和BGA器件来说，为了能够证明原始组件和经修复组件的可靠性情况，使用了落锤试验（drop
testing）。采用落锤试验进行测试的结果表明：经修复处理的组件比原始组件具有更好的可靠性。这个结果的产生是因为在修复阶段实施清除工作期间，需要对电路板的表面进行磨擦，这样就增强了粘接的效果。因为电路板的表面变得粗糙，所以可与所粘接的基板产生很强的粘接效果。
另外需要对器件进行热循环测试，以此来确认修复工作是否减弱了所替换的器件的热循环特性。对于倒装芯片组件来说，热循环测试的结果表明：在经历了超过500次的加热和冷却循环试验后，原始组件和修复位置上的器件情况类似。
结束语
新的可修复底部填充材料正在研究开发之中，其中包括能够兼容氮化硅酮钝化（silicone nitride passivated）倒装芯片的材料，以及能够承受多次回流循环而不发生破裂现象的高温材料。
目前可修复底部填充材料能够很好地满足聚酰亚胺钝化管芯，但还不能够满足氮化硅酮钝化管芯的使用要求。
研究中的新的可修复底部填充材料是基于相同的具有专利权的单分子体，它可以在通常的回流温度下进行修复操作。这些材料将提供比通常的回流焊接温度更高的修复温度，允许底部填充材料经受多次回流温度的循环冲击，如同现在许多不可修复底部填充材料所做的那样。同时，改善可修复底部填充的操作速度的工作也在开展中。
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