圆晶级CSP组装及其可靠性

发布时间:2008/5/28 0:00:00 访问次数:763

wafer level csp

michael meilunas, parvez patel

(1.universal instruments corp., binghamton, ny; 2.motorola, inc.,libertyville, il;)

简介

csp(芯片级封装)技术推动着封装和印刷电路板向更小型化方向发展。圆晶级csp是指将带有再分布薄膜层的硅片与标准表面装贴线相连。这种封装小而轻，适用于i/o脚数量在4到200之间的精细线条贴装。

圆晶级csp的精细线条特性常常要求将pcb的布线与连线技术结合将器件功能开发到极致。虽然大家倾向于选择“狗骨”连线结构，布线密度还是要求导通孔技术能适应圆晶级的封装。

圆晶级器件的长期可靠性是我们必须考虑的一个因素。直接接触芯片或者倒装片组装是现在广泛使用着的一项改进技术。圆晶级器件多多少少也可以看作为大的倒装片。不过，倒装片要依赖填充胶来改进封装的机械和热疲劳阻抗。如果用圆晶级 csp替代传统的csp作连线，就不能用填充胶材料了。

本文主要讨论在传统的pcb底垫和导通孔结构上分别装配具有46个i/o口，75mm线宽的圆晶级器件的方法。然后我们会就不同组装形式的可靠性从全热循环方面以威布尔故障数据分析为准作评估和比较。

圆晶级csp的可靠性

与传统的csp相比，圆晶级csp产生较少的封装破裂（爆米花）、芯片衬底分层和其他的湿致缺陷。不过圆晶级csp的机械和热性能仍由硅片决定。但这仍意味着与传统csp相比，圆晶级csp一般具有低得多的热膨胀系数（cte）并且更硬，更能抵抗热和机械原因导致的压力。

封装描述

用于组装和进行可靠性试验的器件不需要填充料。封装底垫用csp尺寸的焊球连到0.75mm线宽的范围内。此器件将用于制造诸如flash、dram、 eeprom和sram的存储器。

此器件是一个真正的圆晶级封装，它用标准的半导体工艺设备制造了再分布薄膜层，还运用了圆晶级焊点连接工艺。这个封装包含了一个双层电介质系统和苯并环丁烯聚合物（bcb）的聚合体以及一个al/niv/cu的可软焊再分布薄膜层。

这个器件包含48个焊块，数量向中心慢慢减少地排列在6×8的面积内。封装呈矩形，物理尺寸为0.317×0.246〃，厚度为0.438〃（从芯片顶部到焊块尾部）。硅片的全部厚度是0.027〃，上面的附属层厚约0.0003〃。焊块组装前直径为0.0215〃，高度为0.0165〃。

封装的cte约为4.5ppm/℃，质地坚硬，不因加热或冷却而弯曲。

测试版描述

在实验中用的测试版厚0.041〃，采用四层（两个表面和两个内层）双侧fr4基板。板子刷上了有机可焊性保护层以保护铜底垫。

板子的玻璃态转化温度为175℃，cte约为16 ppm/℃。

实验中先后采用了六种测试图形。其中三种包含了标准的非阻焊层限定（nsmd）底垫，直径分别为0.011，0.013和0.015〃。另外三种图形也包含了直径为别为0.011，0.013和0.015〃的nsmd，但是每个底垫另外包含了一个直径0.005〃的连线，形成的导通孔用于连接表面信号层和内部信号层，未被填充。图1显示了导通孔结构的图形，我们可以看到导线图像的重合失调现象。

测试计划

试验的主要目的是：

·研究圆晶级csp贴装中的各种问题；

·比较焊膏贴装法和熔接贴装法和其焊节的可靠性；

·确定在各种导通孔图形上进行贴装的可行性，将其焊节分别与传统的nsmd底垫连结方式作比较；

·对pcb底垫尺寸分别对传统和导通孔结构焊接形式可靠性的影响作评估。

组装方案

圆晶级器件分别用两套方案进行贴装。方案1 采用传统的csp贴装工艺，而方案2采用标准倒装晶片流程。两种工艺中都用强制对流烘箱对器件进行一次回流焊。

贴装之前，圆晶级器件以125 ℃的温度烘烤12小时——这是为了去除封装上多余的水汽，防止前述封装破裂和分层现象出现。测试板被存储在密封的包装中，不进行烘烤。

方案1采用免清洗的含90%金属的iv sn/37pb焊膏进行贴装。首先，我们用0.005〃厚的不锈钢片做模板，用硬度95%的聚氨酯橡胶滚轮以与测试版成60°的角度把焊膏刷到pcb底垫上。15mm/s的印刷速度和0.49公斤/英寸的压力可以得到完美的涂布结果。然后，圆晶级器件被粘贴在pcb上，最后送入强制对流烘箱进行回流焊。

方案2用薄膜涂料器将焊剂涂在圆晶级器件上。在贴装前，器件浸在0.0045〃厚的免清洗粘质焊料中。器件一旦贴装后，马上被送入强制对流烘箱，这一过程不需要用填料。<