Следите за нами в социальных сетях:

Единый отраслевой портал по электронике, микроэлектронике и новым технологиям
База знаний

Здесь мы собираем самые интересные статьи, интервью, репортажи и многое другое. Зарегистрируйте личный кабинет и вам будет открыт полный доступ

20-12-2018

Материалы для заполнения зазора между подложкой и кристаллом. Часть 1. Андерфиллы капиллярного растекания

6 | 323

Александр Скупов


В статье дан ответ на вопрос, почему нужно использовать специальные полимеры (андерфиллы) для заливки пространства между подложкой и смонтированным на ней перевёрнутом кристаллом, а также описываются основные свойства таких материалов. В качестве примера рассматривается один из классов андерфиллов, наиболее активно используемый современной микроэлектроникой.

 

С увеличением производительности микросхем, их мощности, числа вводов/выводов и одновременном уменьшении топологических норм на смену проволочной разварке приходит монтаж перевёрнутого кристалла (flip chip). Это позволяет наиболее эффективно использовать площадь кристалла, отводить тепло, увеличивать быстродействие устройств и степень интеграции при корпусировании.

Использование перевёрнутого кристалла позволяет избавиться от ряда проблем при корпусировании, существовавших при проволочной разварке. Однако здесь появляются свои специфические сложности. Главная из них – проблема надёжности соединения шариковых выводов и подложки. Для снижения стоимости микросхемы в качестве подложки, на которую монтируется кристалл, используется наполненный полимер (FR4, Rogers и т. п.). Как правило, коэффициент теплового расширения (КТР) этого материала значительно (на порядок) превышает КТР кристалла. Это означает, что при изменении температуры в такой сборке будут возникать существенные термомеханические напряжения. При большом размере кристалла эти напряжения могут привести к отрыву выводов либо разрушению самого кристалла. Данная проблема практически отсутствует при монтаже кристалла на подложку из керамики или на кремниевую промежуточную подложку (инерпойзер). Однако в этом случае не решается проблема низкой стойкости такой сборки к внешним механическим воздействиям (вибрациям, ударам), поскольку площадь механического контакта кристалла и подложки существенно меньше площади самого кристалла.

Чтобы значительно уменьшить влияние описанных проблем, необходимо применять специальные материалы. Они называются андерфиллы (англ.: underfill, under – под, fill – заполнять). Эти материалы разработаны для заполнения пространства между кристаллом и подложкой различными способами.

 

Основные свойства андерфиллов

Главным назначением андерфилла (рис. 1) является распределение по всей площади кристалла термомеханических напряжений, которые возникают между ним и подложкой. Андерфилл представляет собой полимерный материал, часто с наполнителем из неорганического вещества. Поведение сборки существенно зависит от следующих свойств андерфилла: модуля упругости, КТР, влагопоглощения, адгезии к подложке/пассивации кристалла.

                        

Рисунок 1 Поперечное сечение смонтированного на подложке кристалла с использованием андерфилла.

 

Численное моделирование поведения сборок с андерфиллом и опыт эксплуатации изделий с его использованием позволили условно выявить некоторые закономерности в зависимости от свойств материала.

Модуль упругости андерфилла напрямую влияет на механические напряжения, возникающие после его отверждения. Желательно, чтобы андерфилл имел высокий модуль упругости для максимально жёсткого соединения подложки и кристалла. Однако при большом размере кристалла слишком высокое значение модуля упругости может вызвать разрушение самого кристалла. Значения в диапазоне 8-10 ГПа считаются оптимальными для большого числа применений.

КТР является ключевым параметром для обеспечения надёжности сборки. При изменениях температуры металл выводов подвержен сдвиговым деформациям из-за существенной разницы между КТР подложки и кристалла. Для того, чтобы эти деформации не увеличивались, КТР андерфилла должен быть меньше, чем у подложки. Оптимальным значением КТР считается 22-26*10-6 °C-1. Это значение близко к КТР сплавов, из которых сформированы выводы кристалла.

Влагопоглощение материала должно быть низким, чтобы не допустить коррозии металлических проводников на кристалле. Оптимальным считается влагопоглощение <0,25 % при стандартном тесте в кипящей воде в течение 8 часов.

Адгезия важна для предотвращения отслоения материала. Отслоение андерфилла от подложки или от поверхности кристалла может привести к целому ряду отрицательных последствий: от конденсации влаги и коррозии проводников до отрыва выводов. Обычно андерфиллы содержат в своём составе праймеры, поэтому проблема адгезии для них стоит не столь остро.

Перечисленные свойства воздействуют на систему именно в совокупности, из них невозможно выделить главный фактор. Кроме того, некоторые из этих свойств оказывают влияние друг на друга, пусть и не определяющее. Универсального рецепта андерфилла, подходящего для всех применений, не существует, его необходимо выбирать, исходя из задачи.

 

Виды андерфиллов и технологии их применения

Андерфилл можно нанести либо до установки кристалла, либо после. В зависимости от предпочтений заказчика, которые диктуются желаемой производительностью и уровнем качества, выбирается тот или иной метод.

Исторически первыми андерфиллами для монтажа кристалла были андерфиллы капиллярного растекания (англ.: capillary-flow). Они наносятся в жидком виде вдоль кромки уже припаянного кристалла и под действием капиллярного эффекта затягиваются в узкий зазор между подложкой и кристаллом. Затем они отверждаются под действием повышенной температуры (150-175 °C).

Очень близким к андерфиллам капиллярного действия является молд-андерфилл (англ.: mold underfill – MUF). Это эпоксидный компаунд для заливки пластикового корпуса микросхемы, свойства которого оптимизированы таким образом, чтобы в процессе литья он затекал под кристалл. Использование такого материала очень удобно, но ограничено и часто требует особой оптимизации литьевой формы (матрицы) для процесса.

В качестве альтернативы андерфиллам капиллярного растекания было разработано множество вариантов материалов, которые наносятся перед установкой кристалла. Наиболее популярными из них на данный момент являются нерастекающиеся андерфиллы (англ.: no-flow). Они наносятся в жидком виде до монтажа кристалла и отверждаются в процессе оплавления выводов, одновременно выполняя роль флюса. Также существуют андерфиллы, наносимые на уровне пластины, кристалла или платы в виде плёнок либо жидкостей. Разработки таких материалов активно ведутся в настоящее время.

Далее в статье будут рассмотрены особенности применения андерфиллов капиллярного действия.

 

Андерфиллы капиллярного растекания

Технологический процесс монтажа кристалла с использованием андерфилла капиллярного растекания показан на рис. 2. Отмывка флюса не требуется, если используется флюс, который специально оптимизирован для данного процесса, и его остатки не снижают адгезию андерфилла.

                              

Рисунок 2 Технологический маршрут монтажа кристалла с использованием андерфилла капиллярного растекания.

 

Данные продукты поставляются в виде жидкостей с вязкостью 10-70 Па*с. В качестве основы материала чаще всего используется эпоксидная смола. Для достижения необходимых значений модуля упругости, КТР, влагопоглощения и прочих параметров в материал вносится неорганический наполнитель. Чаще всего это оксид кремния (SiO2), иногда используется оксид алюминия (Al2O3). Размер частиц зависит от величины зазора, для заполнения которого создан материал. Для доступных в настоящий момент андерфиллов он обычно составляет 0,3-5 мкм. Частицы наполнителя имеют сферическую форму и достаточно узкое распределение по размерам, что позволяет минимизировать вязкость материала.

Если расстояние между выводами меньше высоты зазора, то при теоретическом моделировании процесса растекания материала часто рассматривается простой случай узкого зазора между двумя плоскими поверхностями без учёта наличия выводов. Эта же модель используется и для оценки поведения андерфилла на практике (рис. 3). В качестве одной из ключевых характеристик андерфилла выступает скорость заполнения им зазора. Эту характеристику чаще всего отображают в графическом виде, как показано на рис. 4. Для максимального увеличения скорости затекания подложка с кристаллом при нанесении находится на нагретой поверхности.

                           

Рисунок 3 Схема моделирования затекания андерфилла в узкий зазор.

 

                        

Рисунок 4 Скорость затекания андерфилла Namics U8410-73A для зазора шириной 50 мкм между двух стеклянных пластин при температуре 110 °C.

 

Когда расстояние между выводами становится сравнимо с высотой зазора, при численном моделировании растекания расположением формой выводов уже не пренебрегают, что несколько усложняет расчёт.

Для андерфиллов капиллярного растекания критически важно однородное распределение наполнителя в объёме материала. Неравномерность может привести к блокированию узкого зазора и остановке растекания (образование пустоты) либо неоднородному растеканию (локальное изменение плотности). Такие дефекты часто ведут к механическому разрушению сборок при тестировании на термоциклирование и удары. Вероятность возникновения таких дефектов существенно увеличивается, когда микросхема имеет высокую плотность расположения выводов.

В качестве примера коммерчески доступного андерфилла можно привести U8410-73A производства японской компании Namics. Его основные свойства даны в таблице 1. Размер частиц наполнителя и вязкость оптимизированы для заливки кристаллов с выводами диаметром 30-50 мкм.

Параметр

Значение

Единица измерения

Содержание наполнителя (по массе)

65

%

Средний размер частиц наполнителя

0,6

мкм

Максимальный размер частиц наполнителя

3,0

мкм

Вязкость

45

Па с

Теплопроводность

0,5

Вт м-1 с-1

Температура стеклования Tg

139 (DMA*)

120 (TMA*)

°C

КТР

<Tg: 28

>Tg: 90

10-6 °C-1

Модуль упругости при изгибе

11,0

ГПа

Прочность при изгибе

150

МПа

Таблица 1 Типичные свойства андерфилла капиллярного растекания Namics U8410-73A

 

С увеличением размера кристаллов, перехода от шариковых выводов к столбиковым с малой высотой и шагом между ними капиллярные андерфиллы становятся неудобными для применения. Для узкого зазора становится сложной отмывка флюса, значительно увеличивается время заполнения зазора андерфиллом, что существенно снижает производительность линии. Слишком частое расположение выводов приводит к неоднородному заполнению зазора и пустотам. Столкнувшись с такими проблемами, микроэлектроника требует альтернативных материалов. Таковыми стали андерфиллы, наносимые до монтажа кристалла: не растекающиеся, на уровне пластины и их производные. Обзору этих материалов и технологий их применения будет посвящена следующая статья.

 

Заключение

Для перераспределения термомеханических напряжений при монтаже перевёрнутого кристалла, а также для улучшения его механической надёжности при вибрации и ударных нагрузках используются андерфиллы.

Ключевыми свойствами при выборе андерфилла являются КТР, модуль упругости, температура стеклования, влагопоглощение, адгезия. Надёжность и успешная эксплуатация микросхем, собранных с использованием андерфилла, определяется тем, насколько адекватно были подобраны свойства материала заданным конструкционным параметрам и условиям эксплуатации.

Наиболее распространёнными в настоящее время являются андерфиллы капиллярного растекания. Они наносятся в жидком виде вдоль периметра кристалла, заполняют зазор, после чего отверждаются при повышенной температуре. Скорость и характер заполнения зазора с помощью этих материалов зависит от содержания наполнителя и однородности распределения его частиц в объёме. Использование андерфиллов капиллярного растекания становится ограниченным при наблюдаемой тенденции к уменьшению размеров выводов и шага их расположения.

Группа компаний Остек сотрудничает с производителями андерфиллов, осуществляющими передовые разработки и исследования в этой отрасли для удовлетворения потребностей производителей микросхем. При необходимости специалисты Остека могут оказать технологическую поддержку в области применения подобных материалов, совместно с производителями провести исследования и тесты, подобрать оптимальный технологический маршрут и материалы.

 

 

Статья опубликована в журнале «Вектор высоких технологий». 

Бесплатная подписка на журнал: https://ostec-group.ru/group-ostec/pressroom/journal/podpiska/

Официальный сайт Группы компаний Остек: https://ostec-group.ru/

 

 

Понравилась статья? Поставьте лайк


Микроэлектроника Сборка и корпусирование компонентов Заливка андерфилла Андерфилл

Читайте также

Классификация основных технологий «флип-чип» для использования в современных системах в корпусе Использование структур типа «флип-чип» представляется одним из наиболее перспективных направлений для отечественных предприятий, производящих или планирующих производить системы в корпусе
Без колебания о колебаниях. Использование ультразвука в процессе отмывки Успех выполнения процесса отмывки в электронике зависит от огромного количества составляющих. И немалый вклад в положительный результат вносит оборудование