半導(dǎo)體封裝技術(shù)加工特征尺寸不斷縮小，集成電路的輸入/輸出端口數(shù)劇增，相應(yīng)的芯片封裝技術(shù)向高密度、高可靠性方向發(fā)展，以滿足千萬門級(jí)FPGA、高性能SoC、高速高精度AD/DA等系列宇航核心集成電路的封裝需求。倒裝焊封裝因具有近乎理想的封裝密度和優(yōu)異的高頻性能，在微電子封裝與組裝互連中具有明顯的優(yōu)勢(shì)。
典型倒裝焊封裝是先在芯片上制備焊料凸點(diǎn)或單質(zhì)凸點(diǎn)，再將芯片凸點(diǎn)面朝下貼裝到基板上，通過焊接的方式實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的電氣互連，然后將底部填充膠沿芯片邊緣注入，借助于液體的毛細(xì)作用，底部填充膠會(huì)被吸入并向芯片與基板的中心流動(dòng)，填滿后加熱固化，工藝流程如圖1所示。
圖 1 底部填充工藝流程示意圖
陶瓷封裝中的倒裝焊技術(shù)是將芯片倒裝在陶瓷表面的焊盤上，而底部填充膠是在芯片和陶瓷基板之間進(jìn)行填充。由于氧化鋁涂層處理能夠使陶瓷表面更細(xì)膩，會(huì)增加焊點(diǎn)強(qiáng)度和可靠性，用于封裝的陶瓷表面可能會(huì)進(jìn)行氧化鋁涂層處理。陶瓷外殼表面的狀態(tài)對(duì)底部填充膠的流動(dòng)性產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響底部填充的效果。因此，研究不同處理的陶瓷表面對(duì)于底部填充效果的影響至關(guān)重要。
本文研究底部填充膠在不同處理的陶瓷外殼上的擴(kuò)散狀態(tài)以及（Plasma）等離子清洗技術(shù)對(duì)底部填充膠在陶瓷外殼擴(kuò)散狀態(tài)的改善作用。底部填充膠在陶瓷外殼上的流動(dòng)性能關(guān)系到底部填充工藝的可靠性，關(guān)系到倒裝焊器件的長(zhǎng)期可靠性。因此，針對(duì)底部填充膠在陶瓷外殼上流動(dòng)性能的研究至關(guān)重要。
試驗(yàn)內(nèi)容
選取兩種不同處理的外殼作為樣品，使用金相顯微鏡對(duì)其表面狀態(tài)進(jìn)行記錄對(duì)比。隨后進(jìn)行接觸角試驗(yàn)，共進(jìn)行8組試驗(yàn)，每組3次，試驗(yàn)溫度25℃。具體分組如表1所示。
表 1 接觸角試驗(yàn)分組列表
其中射頻等離子清洗參數(shù)為功率380W，氬氣流量75sccm，清洗時(shí)間90s。
結(jié)果分析
陶瓷外殼的表面粗糙度
液體在陶瓷外殼上的擴(kuò)散狀態(tài)與陶瓷外殼表面粗糙度直接相關(guān)，液體會(huì)沿著凹凸不平的表面鋪張、浸潤(rùn)，因此對(duì)兩種不同處理的陶瓷外殼的表面狀態(tài)進(jìn)行觀察。圖2所示是外殼1和外殼2在400倍光學(xué)顯微鏡下的照片，可以看出兩種外殼表面均呈現(xiàn)無數(shù)凹凸不平的顆粒狀表面，從金相顯微鏡照片可以粗略看出，外殼1表面的粗糙度要略大于外殼2。等離子清洗對(duì)外殼的表面粗糙度基本沒有影響。
圖 2 等離子清洗前后的外殼表面狀態(tài)
水在兩種陶瓷外殼上的擴(kuò)散狀態(tài)
為了確認(rèn)不同處理的外殼表面浸潤(rùn)性的不同，分別對(duì)兩種外殼表面進(jìn)行水滴角試驗(yàn)。如圖3所示，分別是外殼1和外殼2在水滴至外殼表面后，液體與陶瓷接觸瞬間的接觸角（0s）和達(dá)到平衡時(shí)的照片，可以看出外殼1表面的水初始接觸角為61.5°，平衡時(shí)浸潤(rùn)，平衡時(shí)接觸角幾乎為0°；而外殼2表面的水浸潤(rùn)效果一般。這可能是由于表面經(jīng)過處理后，表面的憎水基增多，親水基減少，導(dǎo)致水在處理后的外殼表面浸潤(rùn)性能降低隨后，對(duì)兩種外殼進(jìn)行等離子清洗試驗(yàn)。等離子清洗后如圖4所示，外殼1瞬間浸潤(rùn)，外殼2初始接觸角依舊很大，但平衡時(shí)已經(jīng)幾乎完全浸潤(rùn)。這是由于等離子清洗使陶瓷表面的殘留臟污減少，提升了水在陶瓷表面的浸潤(rùn)性能。但仍無法完全改變處理后外殼表面不易浸潤(rùn)的問題。
環(huán)氧樹脂在兩種表面狀態(tài)陶瓷外殼上的擴(kuò)散狀態(tài)
由于水僅能在一定程度上表征底部填充膠在外殼上的浸潤(rùn)性能，因此為了進(jìn)一步確認(rèn)不同處理的外殼表面狀態(tài)對(duì)底部填充的影響，采用底部填充膠作為接觸角測(cè)試用液體，進(jìn)行接觸角試驗(yàn)。如圖5所示，分別是外殼1和外殼2在環(huán)氧樹脂滴至外殼表面后，液體與陶瓷接觸瞬間的接觸角（0s）和達(dá)到平衡時(shí)的照片，可以看出外殼1表面的液體初始接觸角較小，最終浸潤(rùn)狀態(tài)接觸角近似平角；而外殼2表面的水浸潤(rùn)效果一般，初始接觸角較大，達(dá)到平衡后沒有實(shí)現(xiàn)完全鋪展。這可能是由于表面經(jīng)過處理后，表面與環(huán)氧的親和力降低，導(dǎo)致環(huán)氧樹脂膠在處理后的外殼表面浸潤(rùn)性能降低。
由于等離子清洗可以改善陶瓷外殼表面狀態(tài)，增強(qiáng)其潤(rùn)濕性能，增加環(huán)氧樹脂的流動(dòng)型。隨后，對(duì)兩種外殼進(jìn)行等離子清洗試驗(yàn)。等離子清洗后，如圖6所示，外殼1初始接觸角小于未清洗之前。外殼2初始接觸角略有減小，但平衡時(shí)已經(jīng)幾乎完全浸潤(rùn)。這說明等離子清洗對(duì)于兩種外殼表面的浸潤(rùn)性有所改善，但仍無法改變外殼處理帶來的浸潤(rùn)問題。
由表3可知，等離子清洗對(duì)于外殼表面的浸潤(rùn)性有所提升，外殼1和外殼2在等離子清洗后的終態(tài)浸潤(rùn)角均小于清洗前，說明等離子清洗后外殼的浸潤(rùn)效果有所提升。
從表3可知，未清洗時(shí)外殼2的接觸角從50.2°至完全浸潤(rùn)的44.1°，均遠(yuǎn)大于外殼1；等離子清洗后，外殼2的浸潤(rùn)終態(tài)接觸角大于外殼1。這說明外殼1的浸潤(rùn)性要好于外殼2，更加說明了外殼2的表面處理對(duì)環(huán)氧樹脂膠的浸潤(rùn)存在不良影響，等離子清洗也無法完全優(yōu)化浸潤(rùn)性。
表 3 25 ℃ 下的接觸角結(jié)果
表面做過氧化鋁涂層后的外殼，水和環(huán)氧樹脂的浸潤(rùn)性能有著十分顯著的降低，較未處理的陶瓷外殼表面的浸潤(rùn)性差。經(jīng)過射頻等離子清洗（氬氣）處理后，兩種外殼表面的狀態(tài)均有所改善，說明等離子清洗提高了陶瓷外殼表面的浸潤(rùn)性能。其中無氧化鋁涂層的陶瓷外殼，浸潤(rùn)效果提升更加明顯，環(huán)氧樹脂的浸潤(rùn)性能顯著提升。
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