蘭元飛，焦 慶，姬 峰，張鵬哲，孫浩洋，尤 嘉，郭珍榮（北京遙感設(shè)備研究所，北京）

引言

三維倒裝工藝具有集成密度高的特點(diǎn)，采用此工藝集成的產(chǎn)品高頻性能優(yōu)異，在電子封裝領(lǐng)域具有顯著的優(yōu)勢(shì)[1-2]。接收子陣是相控陣天線的重要組成部分，采用三維倒裝工藝裝配數(shù)十只接收硅基芯片，在內(nèi)部實(shí)現(xiàn)天線陣面、TR 組件有源器件和饋電網(wǎng)絡(luò)各層之間的垂直互聯(lián)。硅基芯片與綜合電路板之間采用焊錫球?qū)崿F(xiàn)電氣互聯(lián)，與傳統(tǒng)金絲互聯(lián)相比，硅基芯片與綜合電路板之間傳輸距離小，射頻信號(hào)串?dāng)_小、傳輸延時(shí)短。但是綜合電路板與焊錫球硬度低，硅基芯片與焊球焊點(diǎn)、綜合電路板與焊球焊點(diǎn)強(qiáng)度小，因此硅基芯片與綜合電路板間互聯(lián)結(jié)構(gòu)耐熱沖擊、機(jī)械沖擊性能差[3-5]。采用底部填充膠填充在硅基芯片與綜合電路板之間，填滿焊球與焊球之間，可以減少由于硅基芯片與綜合電路板、硅基芯片與焊球、綜合電路板與焊球之間熱膨脹系數(shù)差異引起的熱應(yīng)力以及由振動(dòng)等引起的機(jī)械應(yīng)力等對(duì)焊點(diǎn)的沖擊[6-8]。低空洞率底部填充工藝技術(shù)是解決接收子陣現(xiàn)有三維集成后問(wèn)題的關(guān)鍵工藝技術(shù)，對(duì)于小型化相控陣天線的研制生產(chǎn)具有重要意義。

1 工藝過(guò)程研究

硅基芯片底部填充的影響因素有底部填充點(diǎn)膠針頭選型、倒裝芯片清洗、底部填充膠分配模式等，本文主要對(duì)上述影響因素進(jìn)行硅基芯片底部填充工藝研究，確定適宜的工藝參數(shù)。

1.1 底部填充點(diǎn)膠針頭選型

底部填充需采用合適的點(diǎn)膠針頭進(jìn)行點(diǎn)膠，常用的點(diǎn)膠針頭規(guī)格信息如表1 所示，共11 種規(guī)格點(diǎn)膠針頭，直徑范圍覆蓋0.24 mm 到1.83 mm。通過(guò)對(duì)不同的點(diǎn)膠針頭進(jìn)行試驗(yàn)研究，結(jié)果表明點(diǎn)膠針頭直徑過(guò)大則會(huì)造成點(diǎn)膠量過(guò)多，使得填充膠漫流，對(duì)芯片周邊造成污染，如果點(diǎn)膠針頭直徑過(guò)小則會(huì)造成點(diǎn)膠量過(guò)少，降低點(diǎn)膠效率。為保證填充膠的填膠高度，可以選擇大小合適的點(diǎn)膠針頭。

表1 常用點(diǎn)膠針頭

從填膠高度上說(shuō)，針頭應(yīng)盡量接近芯片邊緣，同時(shí)需讓針頭正好略低于芯片的下表面，沿芯片邊緣所填充的填充劑便會(huì)快速均勻地流入底面。填充膠的高度應(yīng)高于芯片1/2 厚度，以確保填充足夠的填充劑。

焊球高度約為200 μm，芯片厚度為0.2 mm。選擇30 G 淡紫色直徑為0.31 mm 的點(diǎn)膠針頭，點(diǎn)膠針頭的直徑略大于焊球高度與芯片1/2 厚度，此時(shí)可以使填膠的膠粘高度與芯片高度匹配。點(diǎn)膠針頭接近芯片的邊緣且高度合適，沿芯片邊緣所填充的填充劑便會(huì)快速均勻地流入芯片底面。底部填充點(diǎn)膠示意如圖1 所示。

圖1 底部填充點(diǎn)膠示意

1.2 倒裝芯片清洗條件研究

通過(guò)絲網(wǎng)印刷工藝在綜合電路板焊盤(pán)涂上焊膏，將硅基芯片倒裝貼合在綜合電路板焊盤(pán)相應(yīng)位置，通過(guò)低溫釬焊系統(tǒng)加熱后，將硅基芯片倒裝焊接在綜合電路板上。焊膏中含有助焊劑，助焊劑殘留會(huì)增加底部填充空洞，影響底部填充膠固化程度，降低硅基芯片粘接強(qiáng)度，因此在底部填充前，需要將殘留的助焊劑清洗干凈。

采用汽相清洗工藝對(duì)綜合電路板進(jìn)行清洗，過(guò)程分為兩個(gè)階段：（1） 沸騰區(qū)蒸汽清洗；（2） 漂洗區(qū)清洗液漂洗。工藝參數(shù)如表2 所示。

表2 汽相清洗工藝參數(shù)

由硅基芯片側(cè)面觀察其與電路板間隙邊緣，如圖2 所示，可以發(fā)現(xiàn)除1#、2#樣品外，3#、4#樣品均未觀察到間隙有助焊劑殘留。將3#、4#芯片由中間截?cái)?，觀察芯片中心部位縫隙中的形貌，如圖3 所示，可以看出3#芯片存在少量助焊劑，4#芯片未觀察到有助焊劑殘留。從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，利用汽相清洗可將助焊劑清洗干凈。

圖2 清洗前后芯片側(cè)面照片

圖3 清洗后芯片中心位置照片

1.3 底部填充膠分配模式研究

底部填充膠具有多種分配模式，研究不同的分配模式對(duì)底部填充速度和填充質(zhì)量的影響，最終選擇填充迅速，但又不把空氣包裹在里面形成空洞的分配模式。底部填充膠分配模式示意如圖4 所示。

圖4 底部填充膠分配模式示意

從圖5 可知，在不同的底部填充膠分配模式中，U形點(diǎn)膠顯示空洞率最高，半L 形點(diǎn)膠顯示空洞率最小。當(dāng)?shù)撞刻畛淠z點(diǎn)膠后，填充膠呈兩維方向流動(dòng)，邊緣的底部填充膠流動(dòng)速度比中間的底部填充膠快，U形點(diǎn)膠雖然底部填充膠流動(dòng)速度快，但是容易包裹空氣形成空洞，如圖5 所示。根據(jù)切片照片結(jié)果，選擇半L 型點(diǎn)膠分配模式。

圖5 不同底部填充膠分配模式的切片照片

2 性能表征與測(cè)試

2.1 外觀質(zhì)量檢測(cè)

對(duì)芯片邊緣的底部填充膠進(jìn)行外觀檢測(cè)，底部填充膠呈黑灰色，表面光亮，無(wú)開(kāi)裂、無(wú)空洞，從邊緣看底部填充膠完全覆蓋住芯片下方焊球，如圖6 所示。

圖6 芯片邊緣填充膠

2.2 空洞率檢測(cè)

對(duì)完成底部填充的芯片進(jìn)行切片分析，結(jié)合光學(xué)顯微鏡檢查底部填充膠層質(zhì)量情況，切片照片如圖7所示。從照片可知，底部填充膠層無(wú)明顯裂紋或分層，存在部分空洞，底部填充區(qū)總空洞率小于10%，單個(gè)空洞率小于2%，空洞率合格。

2.3 電性能測(cè)試

對(duì)接收子陣倒裝焊芯片填充前和填充后的三個(gè)不同頻率（A、B、C）增益進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表3所示。從測(cè)試結(jié)果可知，對(duì)接收子陣倒裝焊芯片進(jìn)行底部填充后，增益減小≤1 dB，滿足接收子陣性能指標(biāo)。

表3 增益測(cè)試結(jié)果

對(duì)底部填充后的接收子陣進(jìn)行溫度沖擊、溫度循環(huán)試驗(yàn)。

溫度沖擊試驗(yàn)條件如下：溫度范圍為-40 ℃～+70 ℃，-40 ℃保持30 min，+70℃保持30 min，溫度沖擊10 次，轉(zhuǎn)換時(shí)間＜3 min。

溫度循環(huán)試驗(yàn)條件如下：溫度范圍為-40 ℃～65 ℃，溫度變化速率為10 ℃/min，極限溫度保持30 min，循環(huán)5 次。

對(duì)完成溫度沖擊、溫度循環(huán)試驗(yàn)后的接收子陣進(jìn)行增益測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表4 所示。從測(cè)試結(jié)果可知，在經(jīng)過(guò)溫度沖擊、溫度循環(huán)試驗(yàn)后，接收子陣增益減小≤0.5 dB，滿足接收子陣性能指標(biāo)要求。

表4 增益測(cè)試結(jié)果

結(jié)束語(yǔ)

從底部填充點(diǎn)膠針頭選型、助焊劑清洗、底部填充膠分配模式方面研究了倒裝焊芯片底部填充工藝技術(shù)，并成功應(yīng)用至型號(hào)相控陣天線的研制生產(chǎn)中。對(duì)倒裝焊芯片底部填充外觀、芯片底部填充空洞率以及接收子陣電性能進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明底部填充后的倒裝焊芯片滿足相控陣天線接收子陣性能指標(biāo)要求，提高了倒裝焊芯片的可靠性。此項(xiàng)工藝技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于其它型號(hào)倒裝焊芯片的研制生產(chǎn)過(guò)程，為其它型號(hào)倒裝焊芯片底部填充工藝的研制提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐和保障。