晶圆级CSP装配的底部填充工艺

人们对一些应用在手持设各如手机和数码相机等上的CSP的机械连接强度和热循环可靠性非常关注。由于 组件中的各种材料的热膨胀系数不匹配，轻微的热变形就会导致应力存在于细小的焊点中。为了改善这种现 象，提高组件的机械连接强度和热循环可靠性，需要对CSP的装配进行底部填充。但是底部填充需要增加设 备和工艺，同时也会使重工复杂化，需要综合考虑。完整的底部填充如图1所示。

图1 完整的底部填充

本文介绍的是底部填充方法——局部填充，可以应用在CSP或BGA的装配中。局部填充是将底部填充材料以 点胶或印刷的方式沉积在基板上位于元件的4个角落处或四周（如图2和图3所示）。相比毛细流动或非流动 性底部填充材料，应用于此工艺的材料黏度较高。如Loctite FP640l，其黏度在室温时达300 000～ 600000Cps。局部填充工艺的特点是：

·底部填充材料被沉积在基板上元件角落处或四周；

·填充材料不会流动，焊点周围不能有填充材料：

·由于焊点周围没有填充材料，重工会更容易；

·可以选择UV材料，使用紫外线使填料固化，而不应用加热固化方式。

图2 4个角落处做局部底部填充 图3 4个角落处儆局部底部填充贴装示意图

（1）胶量的控制和元件周围空间的考虑

在点胶或印胶之前需要精确估计胶量，过多的胶量会污染周围其他的元件和焊盘，同时，过多的胶会流入 元件底部污染焊点；胶量太少则元件侧面或角落处的胶爬升不够。

针对不同的元件具体需要多少的胶量，没有精确计算的公式，需要通过试验来确定。在确定胶量的同时， 需要考虑周围是否有足够的空间来施加胶水。一般比较便捷的评估方法是首先准备一块大小和将要装配的元 件相同的玻璃片，玻璃片的一面具有和元件焊球高度一样的立高结构，然后将评估的胶量印刷或点在基板适 当的位置，最后将准备好的玻璃片贴在基板上，在显微镜下观察是否有胶污染元件底下的焊盘或周围其他焊 盘，并注意填充胶不要污染元件旁边的局部基准点。图4和图5是在基板上元件所在位置4个角落处点胶，材 料为Loctite 35 15，每个点为0.75 mg，贴上玻璃片模拟元件的贴装，发现左上角胶点太靠近焊盘，可能会 污染到焊点。所以需要减少胶量或将点胶的位置稍向外挪。当将胶点的质量降到0.5 mg时，发现每个胶点会 不均匀。

图4 4个角落处点胶，材料Loctite 3515每个胶点0.15 mg

图5 贴上具有10 mil立高的玻璃片，左上角胶点距离焊盘太近

图6和图7是将CSP贴装在PCB上以及胶水固化后的情形，其焊点高度相比未经局部底部填充元件的焊点高大 约l～2 mil。

图6 焊球高度为1 0 mil的CSP贴装在PCB上时胶点的情形

图7 回流焊接后胶点固化的情形

在基板上元件位置四周点胶需要注意的是，起始端和终端不要相连，也就是不要形成封闭图形，以免在贴 装过程中将气体封入元件底部与基板之间的空间，在固化和回流焊接过程中气体进入填料中而产生空洞。

图8是在元件四周点胶，材料是Loctite 3509，胶水总重量为45 mg。注意：起始端和终端之间留有约2 mm 的距离，以利于焊接和固化过程中的排气。

图8 元件四周点胶，贴装和回流焊接，固化之后，胶对元件侧面良好的润湿

（2）回流焊接及胶水固化工艺控制

回流焊接及固化过程是需要控制的重点。在同一回流焊接炉内，必须先完成焊接，然后胶水才能固化。由 于在焊接过程中，元件离板高度有一定程度的降低，所以胶水此时要能够流动。

一般胶水的固化温度为120～165°C固化时间为3～30 min，对于固化时间要求比较长的材料，在过完回流 炉之后，还需要再次加热，保证胶水完全固化。在选择材料时，要充分考虑其固化温度曲线和焊接温度曲线 兼容性的问题，助焊剂活化温度和回流焊接温度高的温度曲线与固化温度低或固化时间短的温度曲线兼容性 就差，此时工艺窗口很窄，要获得满意的装配良率会比较困难。如何设置回流焊接与固化温度参数，以获得 二者兼容的最佳温度曲线。

（3）对四角或四周局部填充的CSP装配可靠性的评估

这里讨论的是CSP装配的热循环可靠性，利用晶圆级CSP，采用不同的装配方式来比较其在热循环测试中的 可靠性。依据IPC－9701失效标准，热循环测试测试条件：

·0/100°C气——气热循环测试；

·20mln一个循环，5 min升温降温，5 min高低温驻留。

测试样品采用不同变量的组合：

·wLCSP元器件192个焊球，0．4 mm间距；

·焊球材料SnAgCu305；

·焊球直径0.25 mm：

·采用的锡膏SnAgCu305；

·局部填充材料Loctite FP6401，其特性参数如表1所示；

·测试基板厚度为0.062，4层，纤维强化FR4，玻化温度为175℃；

·焊盘尺寸7 mil；

·焊盘表面处理方式采用OSP。

表1 Loctite FP6401部分特性

实验采用WLCSP和实验用POD分别如图9和图10所示。

图9 实验采用WLCSP图10 实验采用PCB

其中，两组样品在元件四周或4个角落进行局部填充，然后在温度238°C下回流焊接和胶水固化，回流温度 曲线如图11、图12和图13所示。

　图11 回流焊接温度曲线

　图12 元件四周点胶图13 元件四角点胶

测试结果发现，两种点胶方式，在可靠性方面没有明显差异（置信度P＝0.583），但是相比采用锡膏装配 不进行局部填充的样品，其可靠性提升了将近3倍，其热循环性能强烈依赖于胶水的特性，采用其他玻璃化 转变温度更高，热膨胀系数较低，填充物含量较高的胶水，采用局部填充的装配方式，其可靠性至少可以提 升5倍。但是周边底部填充和四角底部填充的方法虽然可有效提升晶圆级CSP装配件的可靠性，但需要额外的 工艺控制。

3种装配热循环测试的Weibull分析如图14所示。

　图14 3种装配热循环测试的Weibull分析

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