原创 第五章 在印刷电路板/衬底上应用无焊料凸点的圆片级芯片尺寸封装（WLCSP）

第五章 在印刷电路板/衬底上应用无焊料凸点的圆片级芯片尺寸封装（WLCSP）

1、简介：如果从电子产品的终身循环角度考虑，目前还不能确定使用无铅焊料是不是比其他焊料更环保，如果从可利用材料或组件考虑，或者从可靠性考虑，或者从增加了的工艺难度考虑，或者产品报废后如何除了（EOL）等方面来考虑的话，使用无铅焊料是没有什么优势可言的，最好的解决方法是采用一种全新的粘附方法，即不再使用焊料；

2、带有各向异性导电薄膜的印刷电路板上应用金、铜、镍-金凸点的WLCSP封装的设计、材料、工艺过程和可靠性：通过用ACF薄膜将Au凸点，Cu凸点、Ni-Au凸点倒装芯片安装在Cu-Ni-Au和OCC的PCB板上，讨论了重要的参数和工艺步骤，如硅片、用Au、Cu、Ni-Au等对硅片凸点化、PCB板、ACF薄膜、定位、叠片、挑选/放置、键合等，另外ACF键合的FCOB经历了热循环和SIR测试，得出如下重要结论：
a.ACF键合的FCOB装配产量受到凸点类型强烈的影响，已研究的凸点有Au、Cu、Ni-Au等，带有Cu凸点的倒装芯片有最高的装配产量，而带有Ni-Au凸点的芯片的装配量最低；
b.ACF键合的FCOB装配量受到PCB平整度的影响，结果表明带有OCC焊盘的PCB板的装配量好于Cu-Ni-Au焊盘的PCB板；
c.在Cu-Ni-Au焊盘的PCB板上采用ACF键合的倒装芯片进行1000次温度循环后，没有开裂现象，1000次温度循环后Au凸点倒装芯片电阻的变化为5.3%，远远小于Cu凸点倒装芯片所对应的电阻的变化（29%）；
d.ACF键合的FCOB封装，可以满足不同领域对SIR测试的要求，如民用、工业、军事等；

3、在衬底上使用焊料或粘接剂的铜连线圆片级芯片尺寸封装（WLCSP），一般地，焊料或粘合剂通过模板或屏幕印刷到衬底上，而且黏合剂可以像焊料一样工作，并且可以不含铅；

4、在PCB板/衬底上使用焊料或粘接剂的微弹簧WLCSP，通过在PCB板上的模版印刷和回流等方法印刷的S形状的微弹簧，用焊料连到了PCB上，如果使用粘合剂，则微弹簧将通过屏幕印刷的方法印刷到PCB上，并且弯曲；

5、在带有茚并羧酸（ICA）印刷电路板的金钮栓凸点WLCSP:
a.材料及其制备流程：
■将芯片上Au钮栓凸点平整化后，单个芯片倒装放置在一个旋转的盘上，盘上装着含有ICA的液体，例如Ag-Pd胶等；
■一旦将ICA传递到钮栓凸点上来，芯片将以每凸点2gf的负载放置在PCB板或衬底的顶部；
■接着在120~180℃范围内调整；
b.适用于SBB技术的设备：Panasert公司和Kulicke&Soffa公司提供；

6、在翘曲基板上使用茚并羧酸（ICA）的金钮栓凸点圆片级芯片尺寸封装WLCSP：
a.材料及其制备过程：芯片形成凸点—凸点高度平整化—转录—衬底平整化—加载临时黏合剂—放置—烧制—检测—填充—烧制—终测；
b.量化测试和结果：用四探针法测试经过多次回流试验、压力蒸汽试验和热冲击实验后的电阻；

7、在PCB板上使用ACP/ACF进行金钮栓凸点WLCSP封装：
韩国先进科技研究所KAIST将Ni作为导电填料，将硅土作为不导电焊料，通过混合的得到导电填料盒不导电填料总和占10%、30%、50%质量百分比的各向异性导电胶ACAs。填料的表面进行了处理，从而在ACAs成分中环氧阵列里得到统一的焊料分布，通过热力及动力力学的测试得到如下结论：
a.差分扫描量热计DSC测试结果：
■填料含量的增加会稍微改变烧制温度，其峰值温度会升高；
■Ni和硅石填料的情况会轻微改变DSC曲线的形状，升高Tg温度；
b.动态机械分析DMA测试结果：
■对于所有的填料，温度越高，储存模量越低；
■填料所占成分越高， 储存模量就越高，在室温下尤其是如此；
■随着填料含量的增加，Tg也随之升高，Tg是由损失模量曲线的转折点来决定的；
c.热机械特性分析TMA测试结果：
■填料含量越高，Tg越高；
■填料含量越高，α1越低；
■填料含量对α2没有明显影响；
d.热解重量分析仪TGA测试结果：
■填料含量越高，重量损失越少；
■对于ACA，填料含量的变化对分解温度（393℃）不产生影响；
e.85℃/85%相对湿度测试及结果：
■在10%填料含量所对应的ACA的接触电阻在85℃/85%条件下稳定性保持500h后开始随着时间增加而上升；
■在10%、30%、50%填料含量所对应的ACA的接触电阻在85℃/干燥条件下测试1000以上均能保持非常稳定；
f.热循环测试及结果（-60~150℃）：
■带有10%填料含量的ACA不能超过300次循环；
■带有30%填料含量的ACA不能超过400次循环；
■带有50%填料含量的ACA不能超过700次循环；
以上结果说明填料含量对于ACA连接可靠性方面有着非常重要的影响，而高含量填充物将导致ACA的CTE降低，模量升高，从而导致ACA连接高的热疲劳可靠性；

8、被扩散到带有NCA的金焊盘PCB板的金钮栓凸点WLCSP封装：未被平整化处理的金钮栓凸点可以通过热压缩的方法键合到金焊盘的PCB板上，而其连接的长期可靠性可以通过增加非导电黏合剂NCA的方法来保证，这一结果已在Sharp公司等到验证；

9、使用NCA在焊盘镀金柔性衬底上进行金钮栓凸点WLCSP封装：
a.材料及其制备过程：在芯片上形成金钮栓凸点—载带的氩等离子清洗—倒装芯片键合—封装—焊球安装—回流焊/清洁—单一化—测试/标记—视觉检测；
b.可靠性：通过对金钮栓凸点化安装中剪切强度受键合强度、在载带衬底上焊盘所镀Ni和Au的厚度和键合时间等方面的影响可以大致得出如下结果：
■剪切强度不受Ni和Au厚度的影响，因此选择了2um厚的Ni和0.5um厚的Au；
■键合强度增加后，对芯片焊盘并没有带来明显的变形；
■键合强度增加后，剪切强度随之增加；

10、在PCB板上使用无铅焊料的铜钮栓凸点WLCSP封装：与焊料不同，焊料本身在回流过程中会有自对准效应，黏合剂需要非常高的对准精度，而这种要求会增加成本，降低产量，因此在PCB板上或衬底上应用无铅焊料的钮栓凸点WLCSP封装会是一个比较好的选择，由于金钮栓凸点的延展性较差，所以佐治亚技术研究所（GIT）研究了铜钮栓凸点，并的出一下初步结论：
■制作铜钮栓凸点时所使用能量要降低；
■通过退火的方法提高铜钮栓凸点的柔性；
■进一步完善芯片和PCB板上焊盘的分布；
■使用更低熔点的无铅焊料；
■使用柔性更好的无铅焊料；
■为了这里的应用优化回流温度分布。