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环氧树脂底部填充工艺研究
毕业设计（论文）
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指导老师
成都电子机械高等专科学校
二00八年八月
环氧树脂底部填充工艺研究
摘要：
集成电路封装（IC）是一个富于挑战、引人入胜的领域。
它是集成电路芯片生产完成后不可缺少的一道工序，是器件到系统的桥梁。
封装这一生产环节对微电子产品的质量和竞争力都有极大的影响。
从电子元器件的密度这个角度上来说，IC代表了电子学的尖端。
但是IC又是一个起始点，是一种基本结构单元，是组成我们生活中大多数电子系统的基础。
同样，IC不仅仅是单块芯片或者基本电子结构，IC的种类千差万别，因而对于封装的需求和要求也各不相同。
环氧树脂填充工艺是CPU封装过程中的一个重要环节，填充质量的好坏直接影响了产品的质量。
本文重点讲述环氧树脂填充的基本操作流程，材料，重量、流率等参数，Tiros立体烘箱、Asymtek点胶机等所需设备以及常见问题与方法。
并且扩展开来，阐述了底部填充工艺的发展及材料的发展。
[关键词]封装环氧树脂填充操作流程所需设备常见问题与方法
ICPackagingTechnology
Abstract：
ICpackagingisachallengingandattractivefield.Itistheintegratedcircuitchipproductionafterthecompletionofanindispensableprocesstoworktogetherisabridgedevicetothesystem.Packagingoftheproductionofmicroelectronicproducts,qualityandcompetitivenesshaveagreatimpact,Fromthedensityofelectroniccomponentsintermsofthisperspective,ICrepresentsthecutting-edgeelectronics.However,ICisalsoastartingpoint,isabasicstructuralunitiscomposedofthemajorityofourlivesbasedonanelectronicsystem.Similarly,ICchipormorethanthebasicelectronicstructure,ICtypesdiffer,sothepackagingneedsandrequirementsvary.FilledepoxyresinCPUpackagetechnologyisanimportantaspectofqualitytofilladirectimpactonthequalityoftheproduct,thisarticlefocusontheepoxyresintofillthebasicoperationalprocedures,parameters,thenecessaryequipment,aswellasfrequentlyaskedquestionsandmethod.
Keyword:
PackagingEpoxyunderfillOperationalprocesses
ThenecessaryequipmentFrequentlyAskedQuestionsandMethods
目录
第1章绪论1
1.1集成电路封装简介1
1.2集成电路封装种类2
第2章封装测试流程5
2.1封装5
2.2测试5
第3章底部填充工艺的种类，区别及展望7
3.1底部填充工艺种类7
3.2各种工艺区别7
3.3技术转换9
3.4底部填充工艺的展望10
第4章环氧树脂底部填充工艺12
4.1工艺说明12
4.2所需材料简介12
4.3填充工序15
4.4环氧预烘干16
4.5所需设备17
4.6工艺参数23
第5章点胶基本原则及工艺缺陷26
5.1点胶过程中易改变的参数26
5.2点胶过程中应注意的问题26
5.3点胶过程中易出现的工艺缺陷及改进措施28
第6章国外环氧树脂电子封装材料技术的发展方向31
6.1低黏度化31
6.2提高耐热性，降低吸水率31
6.3结语32
第7章结论33
参考文献34
谢辞35
第1章绪论
1.1集成电路封装简介
集成电路封装（IC）是一个富于挑战、引人入胜的领域。
它是集成电路芯片生产完成后不可缺少的一道工序，是器件到系统的桥梁。
封装这一生产环节对微电子产品的质量和竞争力都有极大的影响。
从电子元器件的密度这个角度上来说，IC代表了电子学的尖端。
但是IC又是一个起始点，是一种基本结构单元，是组成我们生活中大多数电子系统的基础。
同样，IC不仅仅是单块芯片或者基本电子结构，IC的种类千差万别，因而对于封装的需求和要求也各不相同。
虽然IC的物理结构、应用领域、I/O数量差异很大，但是IC封装的作用和功能却差别不大，封装的目的也相当的一致。
作为“芯片的保护者”，封装起到了好几个作用，归纳起来主要有两个根本的功能：
1）保护芯片，使其免受物理损伤；2）重新分布I/O，获得更易于在装配中处理的引脚节距。
封装还有其他一些次要的作用，比如提供一种更易于标准化的结构，为芯片提供散热通路，使芯片避免产生α粒子造成的软错误，以及提供一种更方便于测试和老化试验的结构。
封装还能用于多个IC的互连。
可以使用引线键合技术等标准的互连技术来直接进行互连。
或者也可用封装提供的互连通路，如混合封装技术、多芯片组件（MCM）、系统级封装（SiP）以及更广泛的系统体积小型化和互连（VSMI）概念所包含的其他方法中使用的互连通路，来间接地进行互连。
随着微电子机械系统（MEMS）器件和片上实验室（lab-on-chip）器件的不断发展，封装起到了更多的作用：
如限制芯片与外界的接触、满足压差的要求以及满足化学和大气环境的要求。
人们还日益关注并积极投身于光电子封装的研究，以满足这一重要领域不断发展的要求。
最近几年人们对IC封装的重要性和不断增加的功能的看法发生了很大的转变，IC封装已经成为了和IC本身一样重要的一个领域。
这是因为在很多情况下，IC的性能受IC封装的制约，因此，人们越来越注重发展IC封装技术以迎接新的挑战。
1.2集成电路封装种类
SIP:
单列直插式封装.该类型的引脚在芯片单侧排列,引脚节距等特征与DIP基本相同。
ZIP:
Z型引脚直插式封装.该类型的引脚也在芯片单侧排列,只是引脚比SIP粗短些,节距等特征也与DIP基本相同。
S-DIP:
收缩双列直插式封装.该类型的引脚在芯片两侧排列,引脚节距为1.778mm,芯片集成度高于DIP.如图1-1:
图1-1DIP封装
SK-DIP:
窄型双列直插式封装.除了芯片的宽度是DIP的1/2以外,其它特征与DIP相同.PGA:
针栅阵列插入式封装.封装底面垂直阵列布置引脚插脚,如同针栅.插脚节距为2.54mm或1.27mm,插脚数可多达数百脚.用于高速的且大规模和超大规模集成电路。
SOP:
小外型封装.表面贴装型封装的一种,引脚端子从封装的两个侧面引出,字母L状.引脚节距为1.27mm.如图1-2:
图1-2SOP封装
MSP:
微方型封装.表面贴装型封装的一种,又叫QFI等,引脚端子从封装的四个侧面引出,呈I字形向下方延伸,没有向外突出的部分,实装占用面积小,引脚节距为1.27mm。
QFP:
四方扁平封装.表面贴装型封装的一种,引脚端子从封装的两个侧面引出,呈L字形,引脚节距为1.0mm,0.8mm,0.65mm,0.5mm,0.4mm,0.3mm,引脚可达300脚以上.如图1-3:
图1-3QFP封装
SVP:
表面安装型垂直封装.表面贴装型封装的一种,引脚端子从封装的一个侧面引出,引脚在中间部位弯成直角,弯曲引脚的端部与PCB键合,为垂直安装的封装.实装占有面积很小.引脚节距为0.65mm,0.5mm。
LCCC:
无引线陶瓷封装载体.在陶瓷基板的四个侧面都设有电极焊盘而无引脚的表面贴装型封装.用于高速,高频集成电路封装。
PLCC:
无引线塑料封装载体.一种塑料封装的LCC.也用于高速,高频集成电路封装.如图1-4:
图1-4PLCC封装
SOJ:
小外形J引脚封装.表面贴装型封装的一种,引脚端子从封装的两个侧面引出,呈J字形,引脚节距为1.27mm.
BGA:
球栅阵列封装.表面贴装型封装的一种,在PCB的背面布置二维阵列的球形端子,而不采用针脚引脚.焊球的节距通常为1.5mm,1.0mm,0.8mm,与PGA相比,不会出现针脚变形问题.如图1-5:
图1-5BAG封装
CSP:
芯片级封装.一种超小型表面贴装型封装,其引脚也是球形端子,节距为0.8mm,0.65mm,0.5mm等。
TCP:
带载封装.在形成布线的绝缘带上搭载裸芯片,并与布线相连接的封装.与其他表面贴装型封装相比,芯片更薄,引脚节距更小,达0.25mm,而引脚数可达500针以上。
第2章封装测试流程
2.1封装
封装是芯片生产过程中的前沿部分，主要流程如图2-1:
图2-1封装流程图
不加盖的产品通过加热凝固后到CTL（物料转移），再到PEVI目检。
目检后如果没有异常情况，产品送入测试流程；如有异常，送到CSAM扫描。
需要加盖的产品通过加热凝固后到IHSA-IHSC加盖，接着送到CSAM2超声波抽检，之后再到CTL，PIVI目检。
进入测试阶段。
2.2测试
产品通过封装流程后，进去测试阶段，主要流程如图2-2：
图2-2测试流程图
测试部分完成之后的产品属于半成品，要想完全成为用户能够使用的成品，还需要经过以下几个环节，如图2-3：
图2-3最终步骤
经过以上流程后，成品送入IW，之后运到各大城市销售。
第3章底部填充工艺的种类，区别及展望
底部填充技术上世纪七十年代发源于IBM公司，目前已经成为电子制造产业重要的组成部分。
起初该技术的应用范围只限于陶瓷基板，直到工业界从陶瓷基板过渡到有机（叠层）基板，底部填充技术才得到大规模应用，并且将有机底部填充材料的使用作为工业标准确定下来。
3.1底部填充工艺种类
目前使用的底部填充系统可分为三类：
毛细管底部填充、助焊（非流动）型底部填充和四角或角-点底部填充系统。
每类底部填充系统都有其优势和局限，但目前使用最为广泛的是毛细管底部填充材料。
3.2各种工艺区别
一、毛细管底部填充工艺
毛细管底部填充的应用范围包括板上倒装芯片（FCOB）和封装内倒装芯片（FCiP）。
通过采用底部填充可以分散芯片表面承受的应力进而提高了整个产品的可靠性。
在传统倒装芯片和芯片尺寸封装（CSP）中使用毛细管底部填充的工艺类似。
首先将芯片粘贴到基板上已沉积焊膏的位置，之后进行再流，这样就形成了合金互连。
在芯片完成倒装之后，采用分散技术将底部填充材料注入到CSP的一条或两条边，如图3-1。
材料在封装下面流动并填充CSP和组装电路板之间的空隙。
图3-1毛细管底部填充
尽管采用毛细管底部填充可以极大地提高可靠性，但完成这一工艺过程需要底部填充材料的注入设备、足够的厂房空间安装设备以及可以完成精确操作的工人。
目前Intel公司采用的环氧树脂底部填充工艺就属于毛细管底部填充工艺，在第4，5章会重点讲到。
由于这些投资要求以及缩短生产时间的压力，后来开发出了助焊（非流动）型底部填充技术。
相对于其他底部填充系统来说，非流动型底部填充的最大优点在于对工艺的改进，在材料性能方面并没有明显差异。
为了让底部填充的填充过程与传统的表面组装工艺更好的兼容，非流动型底部填充不能使用控温精确度很高的固化炉。
通过将助焊性能集成到底部填充材料中，CSP的粘片和材料固化工艺合二为一。
在组装过程中，在元件放置之前先将非流动型底部填充材料涂覆到粘片位置上。
当线路板进行再流时，底部填充材料可以作为助焊剂，协助获得合金互连，并且本身在再流炉中同步完成固化。
所以可以在传统的表面组装工艺线上完成底部填充，如图3-2。
图3-2非流动型底部填充
从设备和人员投入的角度来讲，非流动型底部填充系统节约了成本和时间，但自身也受到一些限制。
与毛细管底部填充不同，非流动型底部填充材料中必须含有填充物。
在底部填充材料中的填充材料可能正好位于焊料球和电路板焊盘之间。
从设计上考虑，为了改善再流过程中焊料键合，要求该系统内不能含有微粒。
如果没有微粒，底部填充材料的热膨胀系数（CTE）比较高，经过温度循环后其性能就不如毛细管底部填充稳定。
另外，如果采用传统的再流工艺，而不进行精确温度控制也会降低再流工艺的成品率。
此外电路板上吸附的湿气再流时也会被释放出来形成孔洞。
但新的改进工艺已经克服了上述缺点。
对于带中间插入层或边角阵列的CSP来说，采用毛细管底部填充或非流动型底部填充系统都不如角-点底部填充方法更合适。
这种方法首先将底部填充材料涂覆到CSP对应的焊盘位置，如图3-3。
图3-3角-点底部填充
与非流动型底部填充不同，角-点技术与现有的组装设备和常规的焊料再流条件兼容。
由于这类底部填充是可以返修的，制造商们也避免了因为一个器件缺陷就废弃整个电路板的风险。
3.3技术转换
由于器件及其引脚节距变得更小、功能要求更多，并且需要产品工艺实现无铅化，因此在下一代电子产品中，底部填充技术的应用变得越来越重要。
底部填充可以提高CSP中无铅焊料连接的可靠性，与传统的锡-铅焊料相比，无铅互连更容易产生CTE失配造成的失效。
由于无铅工艺的再流温度较高，封装基板的翘曲变得更为强烈，而无铅焊料本身延展性又较低，因此该种互连的失效率较高。
向无铅制造转换的趋势和无铅焊料本身的脆性等综合作用，使得在器件中使用底部填充技术已经成为成本最低，选择最为灵活的解决方案。
随着产业链向引脚节距0.3mm的CSP、节距小于180祄的倒装芯片封装以及更小尺寸发展，采用底部填充材料几乎是唯一可以保证全线成品率的方法。
3.4底部填充工艺的展望
除了满足不断变化的机械要求，保证高可靠性之外，电子产品制造商还必须让产品的成本更具竞争力。
面对这样的挑战，尚处于研发阶段的新底部填充技术，尽管仍处于一个产品的婴儿期，已经显示出很好的前景。
非流动型底部填充的优势在于工艺效率较高，并且减少了设备和人员成本。
但在使用底部填充材料时遇到的技术难题使这些优势都变得不重要了。
不过目前市场上出现了含有50%填充成分的非流动型底部填充材料。
采用了该比例填充料之后，在保持非流动型底部填充工艺流程的同时，改善了产品的温度循环性能。
另一个备受关注的创新是预成型底部填充技术，该项技术有望在后道封装中完全消除底部填充工艺，而在CSP进行板级组装之前涂覆底部填充材料，或者在晶圆级工艺中涂覆底部填充材料。
预成型底部填充在概念上很好，但要实施到当前的产品中，在工艺流程上还有一些挑战需要面对。
在晶圆级底部填充材料的涂覆中，可以在凸点工艺之前或之后涂覆预成型底部填充材料，但两种方法都需要非常精确的控制，如图3-4。
图3-4涂覆预成型底部填充材料
如果在凸点工艺之前涂覆，必须考虑工艺兼容问题。
与之相反，如果在凸点工艺之后涂覆，则要求预成型底部填充材料不会覆盖或者损坏已完成的凸点。
此外还需考虑到晶圆分割过程中底部填充材料的完整性以及一段时间之后产品的稳定性，这些在正式使用底部填充材料到产品之前都需要加以衡量。
尽管某些材料供应商对预成型底部填充材料的研发非常超前，但将这一产品投入大规模应用还有更多的工作要完成。
第4章环氧树脂底部填充工艺
4.1工艺说明
在环氧工序加工中,元件经烘干填充环氧树脂并硬化后,形成坚固密实的封装。
4.1.1工艺目的
环氧工序的加工目的是在芯片与基片之间填充环氧,从而为焊料凸点提供结构性支撑.，若没有EPOXY，封装基片与DIE之间只能依靠焊料作为唯一的连接物，焊料和基片之间的空隙允许水蒸汽聚集其中腐蚀焊料，这些水蒸汽会与焊料在一定温度下发生反应，这一反应将导致焊料和芯片之间的连接失败，所以必须加以密封，增强结构，将EPOXY填满这之间的空隙并溢满四角，否则，水汽将伴随空气进入封装包，将使EPOXY产生气泡，导致焊料崩溃。
4.1.2工艺流程
元件进入环氧关系之前,在去焊剂工序（DFLUX）经过残留焊剂清洗.元件在预烘干工序（TIROS）进行环氧加工,在此元件经加热去除水分.然后,在点胶机中,芯片和基片之间被添加环氧树脂.环氧在硬化炉中进行硬化（或称固化）.转入下一工序之前,元件在后环氧目检工序（PEVI/PIVI）接受检验.
4.2所需材料简介
4.2.1环氧树脂
环氧树脂具有以下特性：
1、形式多样。
各种树脂、固化剂、改性剂体系几乎可以适应各种应用对形式提出的要求，其范围可以从极低的粘度到高熔点固体。
2、固化方便。
选用各种不同的固化剂，环氧树脂体系几乎可以在0～180℃温度范围内固化。
3、粘附力强。
环氧树脂分子链中固有的极性羟基和醚键的存在，使其对各种物质具有很高的粘附力。
环氧树脂固化时的收缩性低，产生的内应力小，这也有助于提高粘附强度。
4、收缩性低。
环氧树脂和所用的固化剂的反应是通过直接加成反应或树脂分子中环氧基的开环聚合反应来进行的，没有水或其它挥发性副产物放出。
它们和不饱和聚酯树脂、酚醛树脂相比，在固化过程中显示出很低的收缩性（小于2%）
5、力学性能。
固化后的环氧树脂体系具有优良的力学性能。
6、电性能。
固化后的环氧树脂体系是一种具有高介电性能、耐表面漏电、耐电弧的优良绝缘材料。
7、化学稳定性。
通常，固化后的环氧树脂体系具有优良的耐碱性、耐酸性和耐溶剂性。
像固化环氧体系的其它性能一样，化学稳定性也取决于所选用的树脂和固化剂。
适当地选用环氧树脂和固化剂，可以使其具有特殊的化学稳定性能。
8、尺寸稳定性。
上述的许多性能的综合，使环氧树脂体系具有突出的尺寸稳定性和耐久性。
9、耐霉菌。
固化的环氧树脂体系耐大多数霉菌，可以在苛刻的热带条件下使用。
环氧树脂及环氧树脂胶粘剂本身无毒，但由于在制备过程中添加了溶剂及其它有毒物，因此不少环氧树脂因此“有毒”，近年国内环氧树脂业正通过水性改性、避免添加等途径，保持环氧树脂“无毒”本色。
目前绝大多数环氧树脂涂料为溶剂型涂料,含有大量的可挥发有机化合物（VOC）,有毒、易燃,因而对环境和人体造成危害
环氧树脂一般和添加物同时使用，以获得应用价值。
添加物可按不同用途加以选择，常用添加物有以下几类：
（1）固化剂；
（2）改性剂；（3）填料；（4）稀释剂；（5）其它。
其中固化剂是必不可少的添加物，无论是作粘接剂、涂料、浇注料都需添加固化剂，否则环氧树脂不能固化。
4.2.2异丙醇（IPA）
主要用途：
异丙醇是重要的化工产品和原料。
主要用于制药、化妆品、塑料、香料、涂料及电子工业上用作脱水剂及清洗剂。
测定钡、钙、镁、镍、钾、钠和锶等的试剂。
色谱分析参比物质。
电子工业用。
在许多工业和消费产品中，异丙醇用作低成本溶剂，也用作萃取剂。
欧洲溶剂工业集团（ESIG）称，2001年欧洲中间体需求占到异丙醇消费量的32%，有14%的异丙醇用作防冰剂，13%用于油漆和树脂，9%用于药物，4%用于食品和3%用于油墨和粘合剂。
异丙醇还用作油品和胶体的溶剂，以及用于鱼粉饲料浓缩物的制造中。
低品质的异丙醇用在汽车燃料中。
异丙醇作为丙酮生产原料的用量在下降。
有几种化合物是用异丙醇合成的，如甲基异丁基酮和许多酯。
可根据最终用途供应不同品质的异丙醇。
无水异丙醇的常规质量为99%以上，而专用级异丙醇含量在99.8%以上（用于香精和药物）。
用于制取丙酮、二异丙醚、乙酸异丙酯和麝香草酚等。
在许多情况下可代替乙醇使用。
在环氧树脂填充工艺当中异丙醇主要用于稀释需要处理的环氧树脂，因为环氧树脂不溶于水，而溶于异丙醇。
异丙醇具有以下特性：
性状：
无色透明挥发性液体。
有似乙醇和丙酮混合物的气味，其气味不大。
其蒸汽能对眼睛、鼻子和咽喉产生轻微刺激；能通过皮肤被人体吸收。
溶解性:
溶于水、醇、醚、苯、氯仿等多数有机溶剂。
它易燃，蒸气与空气形成爆炸性混合物，爆炸极限lower2.5vol.%Upper12.7vol.%（体积）属于一种中等爆炸危险物品。
并且有毒性。
危险特性：
易燃，其蒸气与空气可形成爆炸性混合物，遇明火、高热能引起燃烧爆炸。
与氧化剂接触猛烈反应。
在火场中，受热的容器有爆炸危险。
其蒸气比空气重，能在较低处扩散到相当远的地方，遇火源会着火回燃。
有害燃烧产物：
一氧化碳、二氧化碳。
灭火方法：
尽可能将容器从火场移至空旷处。
喷水保持火场容器冷却，直至灭火结束。
处在火场中的容器若已变色或从安全泄压装置中产生声音，必须马上撤离。
灭火剂：
抗溶性泡沫、干粉、二氧化碳、砂土。
应急处理：
迅速撤离泄漏污染区人员至安全区，并进行隔离，严格限制出入。
切断火源。
应急处理人员应戴自给正压式呼吸器，穿防静电工作服。
尽可能切断泄漏源。
防止流入下水道、排洪沟等限制性空间。
小量泄漏：
用砂土或其它不燃材料吸附或吸收。
也可以用大量水冲洗，洗水稀释后放入废水系统。
大量泄漏：
构筑围堤或挖坑收容。
用泡沫覆盖，降低蒸气灾害。
用防爆泵转移至槽车或专用收集器内，回收或运至废物处理场所处置。
操作注意事项：
密闭操作，全面通风。
操作人员必须经过专门培训，严格遵守操作规程。
操作人员应佩戴过滤式面罩，戴安全防护眼镜，穿防静电工作服，戴乳胶手套。
远离火种、热源，工作场所严禁吸烟。
使用防爆型的通风系统和设备。
防止蒸气泄漏到工作场所空气中。
避免与氧化剂、酸类、卤素接触。
灌装时应控制流速，且有接地装置，防止静电积聚。
搬运时要轻装轻卸，防止包装及容器损坏。
配备相应品种和数量的消防器材及泄漏应急处理设备。
倒空的容器可能残留有害物。
储存注意事项：
储存于阴凉、通风的库房。
远离火种、热源。
库温不宜超过30℃。
保持容器密封。
应与氧化剂、酸类、卤素等分开存放，切忌混储。
采用防爆型照明、通风设施。
禁止使用易产生火花的机械设备和工具。
储区应备有泄漏应急处理设备和合适的收容材料。
4.3填充工序
环氧树脂填充主要分为四个步骤，如表4-1所示：
表4-1环氧填充主要步骤
步骤
环氧填充工序说明
1
CAM站点将每个芯片粘贴到基片上后,去焊剂工序（DFLUX）将残留的焊剂去除,然后元件进入环氧填充工序。
2
在预烘干炉（TIROS）中烘干残留在去焊剂工序（DFLUX）吸收的水分。
3
点胶机（M600）将环氧填充到芯片与基片之间的缝隙中,形成环氧层。
4
一个批次的产品完成环氧填充后，进入硬化工序（EPOXYCURE）使环氧物料硬化。
产品通常以1500颗为一个批次，每12颗装在一个carrier中，每个magazine中有25片carrier，共有5个magazine。
每片carrier从LKT2000的卸载机被卸载后，经过皮带传送到Tiros的Loader，再由Loader里面的夹子将两片carrier放入一个料盘中，经过皮带传送到Tiros内部预烘干。
预烘干之后的产品经过皮带传送到Tiros的Unloader，将料盘中的carrier转移出
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