倒装片接合入门
By Bill Potter
本文简单介绍现在使用中的五种倒装芯片(flip chip)安装方法。
产品小型化、功能增加和可便携性的需要正推动对倒装片(flip chip)装配的需求。这个技术已经在各种电子产品中使用超过三十年，它当然具有超出传统电子装配的许多优点，但是它可能不是所有装配系统的解决方案(表一)。
| 表一、倒装片装配的优点与缺点 |
| 优点 |
缺点 |
| 高密度电路 |
设计用于导线接合的芯片模 |
| 群接合(gang bonding) |
成本 |
| 改进的电气特性 |
可靠性 |
| 温度路线 |
已知的好芯片模 |
| 自我定位(焊锡附着) |
快速分配与固化的底部填充 |
| 可靠性 |
芯片模的可获得性 |
| 可制造性 |
半成品 |
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如果你的公司决定使用倒装片技术，那么你的下一个决定将是使用哪种附着方法。下文就是简单介绍现在使用中的五种倒装片贴装方法，和对这些替代者的一种：接线柱锡球接合法进行详细考查。
 金球焊接(Gold
Bump Soldering)
在金球焊接(GBS)方法中，连接到集成电路(IC)芯片的是金球。该IC是附着到基板的使用锡膏镀锡的电极，锡膏可印刷在基板上或者转印(transfer-stamped)在金球块上。在贴装期间可加热来回流连接，或者在标准回流炉内批量地回流。为了完成该过程，电路要在IC片底部填充之前清洁。
 金对金连接(Gold-to-Gold
Interconnect)
使用金对金连接(GGI)方法，在IC片上的连接是一个金球块。IC片使用标准引线接合技术(热声焊接 thermosonic bonding)附着于基板的电镀金的电极。由于芯片底下间隙小，该IC片是不要底部充胶的。芯片通常包装在一个封装中，以保护该装配。
 各向异性的导电胶片和糊剂(Anisotropic
Conductive Film and Paste)
用各向异性的导电胶片(ACF)或各向异性的导电糊剂(ACP)的方法，在IC片上的连接通常是金球块。各向异性的材料在其内部具有悬浮的导电粒子。胶片或糊剂施于基板的电镀金的电极。芯片贴装在糊剂或胶片内，并施加热和压力。该材料只在
Z 方向导电，达到IC电极与基板电极之间的电气接触。在有些情况中，ACF材料也可用作底部填充剂。
 受控的塌落芯片连接/倒装片附着(Controlled
Collapse Chip Connection/Flip-chip
Attach)
用受控的塌落芯片连接/倒装片附着(C4/FCA)方法，对IC片的连接是高温焊锡。助焊剂或锡膏施于基板上镀锡的电极或转印到IC片的锡球上。该IC片然后贴放于基板上，可在贴装期间加热来回流连接或者在标准回流炉中批量回流。为了完成该过程，电路在IC片底部充胶之前要清洁。
接线柱金球焊接(Stud Bump Bonding)
 接线柱金球焊接(SBB)技术使用金球块和导电性树脂。使用一种改良的引线焊接方法，金球与金引线一起成型。金球在芯片的铝电极上成型。金球块，“接线柱球块”有一个两阶段的构造，它有利于将导电性树脂传送到金球块，对防止导电性树脂的扩散是关键的。导电性树脂是很柔性的，阻止与直接芯片附着(direct
chip attach)有关的温度和机械应力。在底部充胶之前不要求清洁。
 金球块形成的过程首先开始在毛细管尖上形成一个金球。毛细管然后接触模的铝焊盘，使用标准的引线焊接技术(超声波加热)将金球焊接到焊盘上。金引线通过形成接线柱块顶部的毛细管边来切断(图一)。
 在芯片模可以安装之前，金球块必须调整到一致的高度(图
2a)。这个高度维持一个水平表面，使得模可以可靠地安装。球块然后浸入一个严格控制的导电树脂层内。整个模浸入，同时把导电树脂传送到模上所有的球块(图
2b)。
该芯片模安装于基板上，固化树脂。在固化之后，电路可以进行电气测试，如果发现缺陷，可在室温下容易地取下模，并用新的模代替，而不需要清洁基板上的端子。该工艺过程可达到几乎100%的制造合格率。
 在电气测试之后，模与基板之间的间隙用树脂来填充，机械上将安装的模保持在基板上(图三)。底部填充树脂然后在炉中固化，完成贴装过程。
表二涉及SBB可靠性测试，定义测试条件和测试结果。结果显示SBB在温度应力之下保持稳定，因为导电树脂是很柔性的，并且密封胶具有高压缩力。
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表二、接线柱球块焊接测试条件和结果
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测试条件
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基板：陶瓷与有机；厚度=0.8mm；尺寸=30mm x 30mm
芯片：有连续测试模式的硅芯片；厚度=尺寸=10mm x 10mm x 0.4mm；I/O=248个焊盘
(150µm间距)
材料：导电胶：AgPd填充料 + 柔性环氧树脂
密封胶：SiO2填充料 + 环氧树脂 |
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测试结果
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有机基板 |
陶瓷基板 |
| 高温存储 |
125°C、2,000 小时 |
150°C、2,000 小时 |
| 低温存储 |
-55°C、2,000 小时 |
-55°C、2,000 小时 |
| 温度湿度存储 |
85°C、85%、2,000 小时 |
85°C、85%、2,000 小时 |
| 温湿偏移作用 |
85°C、85%、5.5V、2,000 小时 |
85°C、85%、5.5V、2,000 小时 |
| 不饱和增压蒸汽偏移作用 |
110°C、85%、5.5V、400 小时 |
110°C、85%、5.5V、400 小时 |
| 空气对空气温度循环 |
-55°C - 125°C、1,000次循环 |
-55°C - 125°C、500次循环 |
| 液体对液体温度冲击 |
-55°C - 125°C、1,000次循环 |
-55°C - 125°C、500次循环 |
| 高压锅 |
121°C、2 个大气压、100小时 |
121°C、2 个大气压、100小时 |
| 焊接回流 |
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270°C x 10秒、五个循环 |
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结论
倒装片接合锡点的粘结强度是高的，但缺乏释放温度应力的柔性。可是，倒装片接合导电性树脂胶点的粘结强度具有相反的效果。树脂胶通过连接导电性填充料来帮助保护导电路线，因此，SBB接点在稳定应力下保持稳定，因为导电性胶是柔性的。更大的粘结强度和更高的导电性是通过芯片的底部填充获得的，由于填充树脂的压缩，它帮助导电性填充料的结合。
电气缺陷的SBB附着倒装片是容易修理的。电气测试可以在固化导电性胶之后进行，任何缺陷芯片都可以容易地取下和更换。SBB贴装技术很适合于低成本多芯片模块(MCM,
multichip module)和芯片规模包装(CSP, chip-scale package)制造，因为高的温度稳定性和可修复性。
Bill Potter is business development manager with Panasonic
Factory Automation Company; Franklin, IL; (847) 288-4464; http://www.panasonicfa.com.
(A 02/14/2001)
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