混合非流動及底部填充製程的覆晶
一種幾乎無孔隙的底部填充製程技術
Daniel F. Baldwin, Ph. D., Engent
Michael Colella
底部填充膠(underfills)常用於覆晶封裝中，用以緩衝矽晶片與電路板間差異很大的熱膨脹係數。因此可以減少焊料接點的內應力，而提升接面的耐疲勞壽命。
傳統利用毛細現象進行底部填充的製程，包括有：沾助焊劑(flux)、放置晶片及覆晶的迴焊(reflow)，藉由毛細現象填膠將沿著晶片(chip)的各邊擴散而充滿於晶片底部。最後置入高溫爐使其硬化，完成晶片封裝。
混合非流動及底部填膠製程是將助焊劑型底部填充劑(fluxing underfills)在晶片放置前已先行塗佈在基板上。當晶片放置時，將造成填充劑的擠壓流動(squeeze flow)，在標準無鉛迴流焊接製程(solder reflow)中，迴焊與硬化是同時進行的，因此傳統非流動填膠製程中所遭遇的問題有過多的底部孔隙及不完全底部填充造成過大的熱膨脹係數(CTE)。
為了避免因為底部孔隙而造成半成品的破壞，發展出新式非流動製程技術，如圖一所示。這項新製程具備有傳統毛細流動(capillary flow)及非流動底部填充製程的優點。毛細流動的原理可產生幾乎無孔隙的底部填充，而非流動材料在製程中不需要助焊劑，因此可降低成本及提高產能。本文採用5種市面上可購買到的底部填充材，有系統的進行此混合非流動製程實驗，以找出晶片放置及迴焊的最佳化參數。
實驗
混合非流動底部填充製程是將助焊劑型底部填充材料預先塗佈在基座邊緣，利用毛細流動的原理覆蓋至整個晶片底座，本研究主要的目的為發展及測試此種混合非流動底部填充製程的可靠度。
本研究的第二個目標是以五種市售的非流動助焊劑型底部填充材料進行新式混合填膠製程，以找出最佳化的製程參數。這些材料也將用來發展並證實此種新型的混合填膠製程。
為達到上述目標，將進行一系列的實驗。底部填充材的點膠實驗用來決定最佳的點膠條件；晶片放置實驗則是用來檢視最佳的放置條件；一字型點膠圖形位置的研究，可提供點膠位置對於底部填充孔隙影響的進一步資訊；不同迴焊參數的研究則可決定最佳的迴焊參數。
測試的晶片具共晶錫鉛凸塊、菊環式(daisy-chain)測試結構的覆晶元件。依實驗設計法，以不同的底部填充材料、點膠圖形及晶片放置速度，將晶片黏結在FR-4電路板上，如圖二所示。完成晶片放置後，以130℃低溫進行烘烤固化一小時，以避免迴焊及任何材料的揮發。如此，迴焊對於晶片黏結的影響可被排除。表一為本測試實驗之底部填充後孔隙數目的統計結果。
點膠製程
各種材料利用不同的點膠圖形(點、一字形或X形等)、放置力量及停留時間等條件，對於電路連結良率及底部填充空孔隙進行測試。僅在點狀圖形、1 牛頓的施力及0秒的停留條件下，發現電路連結失敗。其他條件則均可達到100%的電路連結良率，而各種填充料的行為表現均類似。一字形點膠圖形對於各種材料、任何施力及停留時間均可達到100%的電路連結良率，這是因為一字形點膠不需太大的放置壓力即可完成底部填充，一般點狀圖形則需要一定的壓力才可促成填充料的擠壓流動。
點膠圖形是一個晶片放置時影響孔隙形成數目多寡的重要因素。一字形點膠在毛細流動過程中似乎較可充滿於基板形貌及焊劑罩層(solder mask)的開孔，不易包覆氣體而造成孔隙。點狀及x形導致填充料的擠壓流動，在材料快速流動中容易捕捉空隙。由於一字形點膠可以減少孔隙數目，因此在接下來的實驗中均採用一字形點膠圖形。
晶片放置
晶片放置速度不是一個影響底部填充空孔隙數目的重要參數。
晶片放置機台在達到預設的施力值時，即開始計算停留時間，當設定時間到達時，晶片即被釋放。一字形點膠圖形允許極小的黏結壓力，縱使是機台設定在1牛頓，無停留時間，在晶片完全貼覆在電路板前，晶片不會鬆脫。若是點狀點膠，當施力小且無停頓時間時，晶片會從基板上鬆脫，導致在迴焊時造成晶片的錯位，因此電路連結良率低。X-ray分析儀證實了這些在測試中失敗之黏結晶片的錯位。
底部填充孔隙
不同點膠圖形所產生的孔隙數目與晶片與基板之間的間隙填膠趨勢是相同的，即一字形點膠在抑制孔隙形成及電路連結良率上有最好的結果，然而在點狀及一字形點膠圖形上均有填膠導角(fillet)不均勻的現象。一字形點膠在晶片的點膠側與另一側的導角體積不一樣，這些導角資訊不易被量化，不過兩端導角的形狀都是完整的。
停頓時間並不會影響底部填充空孔的產生，因此製程中停頓時間均設為0秒。選用的一字形點膠圖形更是不受停頓時間的影響。此外，由於晶片放置時與底部填充點膠的接觸面積小，因此降低了晶片飄移及錯位的風險。在點狀點膠中，因停頓時間不夠，晶片釋放時可能造成錯位，然而在一字形點膠中並不會發生此問題。在大量生產的前提下，評估各種製程的可行性時，由於減少停頓時間可以增加產能，因此針對節省成本的角度上是較好的選擇。
實驗數據中，晶片放置力量對於孔隙形成，各種填充料的影響程度是不同的。對A與D材料而言，施力似乎不是個重要的因素，但對B、C、E材料，施力大小影響卻很大。在施力大時將會導致較多孔隙的形成。
表一：底部填充空孔數目。
Underfill Dot(% Voiding) Line(% Voiding) Cross(% Voiding) Speed5mm/s(% Voiding) Speed70mm/s(% Voiding)
A 1.82 0.01 1.87 1.11 1.35
B 4.45 0.07 3.85 2.55 3.03
C 2.60 0.17 3.05 1.77 2.10
D 0.73 0.44 0.72 0.59 0.67
E 0.39 0.04 0.64 0.38 0.33
一字形點膠位置的研究
僅選用材料A來進行一字形點膠相對於晶片與基板間位置的研究，其他材料應該會有相似的結果。圖三為一字形點膠在位置1的側視圖，所有5個位置的一字形點膠均可達到100%的電路連接良率，而且在每一個位置上，所形成的底部填充導角也類似。然而在點膠端及晶片另一端的導角尺寸有些許不同，這些尺寸的差異決定了點膠的臨界位置。在臨界位置上，填膠流過焊墊(pad)或是點膠時將會造成許多孔隙的形成。各個點膠位置的覆晶超音波顯微(CSAM)影像，如圖四所示。
一字形點膠相對於晶片邊緣的位置，對於底部填膠孔隙面積有很大的影響，如圖五所示。在某些區域的一字形點膠可達成無孔隙的晶片底部填充，這些區域出現在從晶片的邊緣向外延伸大概8倍Xedge/hbump(定義如圖三)的範圍。由此實驗中亦可歸結底部填充過程中，填膠毛細流動過晶片底下時並不一定會產生孔隙，凡在先前實驗中發現含孔隙的區域可能都是因為點膠的位置過於靠近焊墊開口，因此在點膠時造成部分空氣的滯留，或是產生部份填膠的壓縮流動而導致孔隙的形成。
迴焊研究
實驗中使用兩種不同的迴焊曲線，一種是階梯曲線(step profile)，另一種是漸進曲線(ramp profile)。由於時間及材料的限制，僅以參數研究(parametric study)方式決定最佳的迴焊曲線。
利用底部填充孔隙數目作為評估迴焊最佳化的原因是，進行破壞分析(failure-analysis)實驗時，置於冷熱交替(thermal cycling)環境中的覆晶元件，從底部填充的孔隙處開始出現剝離，並沿著基板保護層及底部填充膠的介面擴散，使得底部填充膠無法連結晶片與基板，最後導致接腳的疲勞破壞。此外，其他非流動底部填充的研究指出，在冷熱交替環境中若有流道(flow path)的存在，就會發生焊料突出(solder extrusion)的破壞。臨界焊料凸塊(solder bump)的空孔隙處因強度較弱，因此是焊料突出最容易發生的地方。由於焊料突出會造成電路短路且破壞電訊接點的完整性，因此應避免底部填充孔隙的發生。
研究發現焊料破裂往往是沿著含鉛量高的區域邊界發生，若焊料中的晶粒邊界(grain boundary)與電訊接腳間的過渡區增加，可提升黏結元件的疲勞壽命，是一個期望得到的均勻共晶微結構。因此把填料顆粒大小當成是一個判斷底部填充優劣的指標。晶粒的資訊是以面積比法(area-ratio technique)來取得，將一網格(grid)蓋在電子顯微鏡影像上，並計算落在大晶粒邊界內點的比例，如圖六所示。
電阻則是另一個評估指標，部分原因是依據研究的結論，焊料接腳的電阻越小，其可承受的剪應力越大。此外，電阻與晶片凸塊與基板焊墊間的接觸面積有關，接觸面積越大，量測到的電阻值會越小，而黏結件的疲勞壽命也越長。
結論
這個新製程的主要優點是可形成無孔隙的底部填充，由於避免了因為凸塊間孔隙導致的焊料突出破壞，所以有較高的可靠度。這種突出破壞往往發生在冷熱交替1,600次時，其遠低於焊料的壽命期望值(mean time to failure，MTTF)。然而在提升可靠度的同時，犧牲的是此製程需要比傳統非流動製程較大的基板空間。這是因為點膠在晶片放置之前，可能會有過量的滲濕(wet out)，因此需要較大的基板空間。
底部填充膠在基板上滲濕的距離與點膠的線質量密度有關，許多其他的點膠圖形也有相同的表現，即可以達到100%良率及無孔隙形成。
一種幾乎空孔隙、非流動底部填充劑點膠製程已發展成功，加上新的研究方法來改善迴焊製程，完成的測試封裝已證實具有優越的可靠性表現，所有的元件均通過2000次溫度循環測試(air-to-air thermal cycles，AATC)，而沒有任何電性上的破壞。
圖一：幾乎無孔隙的新式混合非流動底部填充技術之覆晶製程。
圖二：不同的點膠圖形。