先进薄型封装的材料解决方案

先进薄型封装的材料解决方案

        把无铅焊点倒装芯片(FC)封装技术引入半导体封装领域可以满足高速和多功能要求。移动电话和数码相机等便携式FC产品要求其封装外形越来越小，厚度越来越薄。此外，许多FC封装还使用塑料作为封装材料。本文对采用有限元法计算出的薄型倒装芯片球栅阵列封装的热-机械可靠性参数进行了分析，其中包括室温和回流温度下的翘曲特性以及温度循环试验中的焊点疲劳特性。我们认为，通过在计算过程中充分考虑底部填充材料的粘弹性，可以改进计算精度。

　　文中对考虑了底部填充材料粘弹性的计算结果与只考虑底部填充材料弹性的计算结果进行了比较，并把计算结果与实验结果进行了对照。文章对薄型可靠性倒装芯片封装底部填充材料的最佳特性提出了参考意见。研究结果同时还证明，使用热膨胀系数(CTE)较小且硬度较高的衬底是实现薄型高可靠倒装芯片封装的必要条件。

　　FC封装的热-机械特性与可靠性的关系

　　在FEM分析中，为阐明FC封装的热-机械可靠性，需要对多项参数进行计算。选择的分析对象是FC球栅阵列(FC-BGA)封装。此外，根据FC-BGA封装材料的特性，计算出室温和回流温度下的翘曲特性以及温度循环过程中的焊点疲劳特性。

　　图1是分析模型的FC-BGA封装结构和焊点结构。在这里，底部填充材料通常用做焊点的包封材料。Si芯片的尺寸为15mm×15mm×725μm。封装衬底包括一个中间核芯层及其上面的6个堆叠层。中间核芯层的厚度为400μm，衬底尺寸为50mm×50mm。底部填充材料边缘倒角长1.7mm。采用FEM法对所有封装材料的物理特性与温度的相关性，以及底部填充材料的粘弹性和焊点的弹性-塑性-蠕变特性进行了分析。

　　UF特性

　　通过FEM法计算出A类底部填充材料(A、AE1H、AE1L、AE2H、AE2L)和B类底部填充材料(B、BE1H、BE1L、BE2H、BE2L)的弹性模量与温度的相关性，分别在图2(a)和图2(b)中表示。A类和B类底部填充材料的CTE与温度的相关性在图2(c)中表示。A类材料的Tg为45℃，B类材料为75℃。

　　粘弹性计算模型

　　图2(a)和2(b)中所示的底部填充材料的驰豫弹性模量与温度的关系是参根据材料的储能模量与温度的关系判断出来的。例如，图3表示对FC-BGA封装使用的A、B两类底部填充材料进行弹性分析和粘弹性分析后计算出的整体翘曲值，并对这些值进行了比较。采用这两种分析方法计算出的室温下的翘曲值相差很大，我们可以确认，采用粘弹性分析法计算出的翘曲值与实际FC-BGA封装实验中获得的值基本一致。

　　翘曲分析

　　图4(a)是25℃时计算出的底部填充材料的整体翘曲值。图中没有显示出材料的翘曲特性与弹性模数的关系，但显示出与Tg的相关性。通过深入分析我们发现，底部填充材料边缘倒角的应力驰豫特性极大地影响着FC封装的整体翘曲值。图4(b)表示在260℃时计算出的整体翘曲值，这个温度相当于组装工艺使用的最高温度。260℃时的整体翘曲值不仅与底部填充材料的Tg相关，也与弹性模数相关。这时底部填充材料A的整体翘曲值比AE2H或AE2L高，但当温度高于Tg时，AE2H的弹性模数比底部填充材料A高，而AE2L的弹性模数比A材料低。底部填充材料B的情况也大体相同。当温度达到260℃时，翘曲特性与底部填充材料特性之间的关系比较复杂。