點(diǎn)膠機(jī)在充機(jī)設(shè)計(jì)工藝中要注意哪些問題?
隨著電路的密度增加和產(chǎn)品形式因素的消除,電子工業(yè)已出現(xiàn)許許多多的新方法,將芯片級(jí)(chip-level)的設(shè)計(jì)更緊密地與板級(jí)(board-level)裝配結(jié)合在一起。在某種程度上,諸如倒裝芯片(flip chip)和芯片級(jí)包裝(csp, chip scale package)等技術(shù)的出現(xiàn)事實(shí)上已經(jīng)模糊了半導(dǎo)體芯片(semiconduct die)、芯片包裝方法與印刷電路板(pcb)裝配級(jí)工藝之間的傳統(tǒng)劃分界線。雖然這些新的高密度的芯片級(jí)裝配技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是非常重要的,但是隨著更小的尺寸使得元件、連接和包裝對(duì)物理和溫度的應(yīng)力更敏感,選擇最好的技術(shù)配制和達(dá)到連續(xù)可靠的生產(chǎn)效果變得越來越困難。 改善可靠性的關(guān)鍵技術(shù)之一就是在芯片與基板之間填充材料,以幫助分散來自溫度變化和物理沖擊所產(chǎn)生的應(yīng)力。不幸的是,還沒有清晰的指引來說明什么時(shí)侯應(yīng)使用充膠和怎樣最好地采用充膠方法滿足特殊的生產(chǎn)要求。本文將探討有關(guān)這些問題的一些最近的想法。 為什么充膠? 考慮使用底部灌充密封膠的最初的想法是要減少硅芯片(silicon die)與其貼附的下面基板之間的總體溫度膨脹特性不匹配所造成的沖擊。對(duì)傳統(tǒng)的芯片包裝,這些應(yīng)力通常被引線的自然柔性所吸收。可是,對(duì)于直接附著方法,如錫球陣列,焊錫點(diǎn)本身代表結(jié)構(gòu)內(nèi)的最薄弱點(diǎn),因此最容易發(fā)生應(yīng)力失效。不幸的是,它們也是最關(guān)鍵的,因?yàn)樵谌魏芜B接點(diǎn)上的失效都將毀滅電路的功能。通過緊密地附著于芯片,焊錫球和基板,填充的材料分散來自溫度膨脹系數(shù)(cte, coefficient of thermal expansion)不匹配和對(duì)整個(gè)芯片區(qū)域的機(jī)械沖擊所產(chǎn)生的應(yīng)力充膠的第二個(gè)好處是防止潮濕和其它形式的污染。負(fù)面上,充膠的使用增加了制造運(yùn)行的成本,并使返修困難。由于這一點(diǎn),許多制造商在回流之后、充膠之前進(jìn)行快速的功能測(cè)試。
決定何時(shí)充膠 因?yàn)榇嬖诓幌挛迨N不同的csp設(shè)計(jì)1,加上無數(shù)的變量與涉及連接設(shè)計(jì)的操作條件,所以很難提供一個(gè)確切的規(guī)則決定何時(shí)使用充膠。可是,在設(shè)計(jì)pcb時(shí)有許多關(guān)鍵因素應(yīng)該考慮進(jìn)去。一些重要因素包括: 芯片與基板之間溫度膨脹系數(shù)(cte)的不同。硅的cte為2.4 ppm;典型的pcb材料的cte為16 ppm。陶瓷材料可以按匹配的cte來設(shè)計(jì),但95%的礬土陶瓷的cte為6.3 ppm。充膠在基于pcb的包裝上需要較大,雖然在陶瓷基板上也顯示充膠后的可靠性增加。一個(gè)替代方法是使用插入結(jié)構(gòu)的基板,如高cte的陶瓷或柔性材料,作為芯片與主基板之間的吸振材料,它可減輕pcb與硅芯片之間的cte差別。 芯片(die)尺寸。通常,芯片面積越大,應(yīng)力誘發(fā)的問題越多。例如,一項(xiàng)研究表明,當(dāng)芯片尺寸由6.4增加到9.5mm時(shí),連接所能忍受的從-40 ~ 125deg;c的溫度周期的數(shù)量由1500次減少到900次2。 錫球尺寸與布局在充膠評(píng)估上扮演重要角色,因?yàn)檩^大的球尺寸,如那些csp通常采用的300mu;的直徑,更牢固、可比那些倒裝芯片(flip chip)所采用的75mu;直徑更好地經(jīng)受應(yīng)力。假設(shè)csp與倒裝芯片的一個(gè)兩元焊接點(diǎn)的相對(duì)剪切應(yīng)力是相似的,那么csp焊接點(diǎn)所經(jīng)受的應(yīng)力大約為倒裝芯片的四分之一。因此,csp的設(shè)計(jì)者認(rèn)為焊錫球結(jié)構(gòu)本身可以經(jīng)得起基板與芯片溫度膨脹所產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力。
滴膠的挑戰(zhàn)一旦作出決定使用充膠方法,就必須考慮到一系列的挑戰(zhàn),希盟點(diǎn)膠機(jī)以有效的實(shí)施工藝過程,取得連續(xù)可靠的結(jié)果,同時(shí)維持所要求的生產(chǎn)量水平。這些關(guān)鍵關(guān)鍵問題包括:得到完整的和無空洞的(void-free)芯片底部膠流 在緊密包裝的芯片周圍分配膠 避免污染其它元件 通過射頻(rf)外殼或護(hù)罩的開口滴膠 控制助焊劑殘留物。取得完整和無空洞的膠流 因?yàn)樘畛洳牧媳仨毻ㄟ^毛細(xì)管作用(capillary action)吸入芯片底部,所以關(guān)鍵是要把針嘴足夠靠近芯片的位置,開始膠的流動(dòng)。必須小心避免觸碰到芯片或污染芯片(die)的背面。一個(gè)推薦的原則是將針嘴開始點(diǎn)的定位在針嘴外徑的一半加上0.007quot;的x-y位移上,z的高度為基板上芯片(chip)高度的80%。在整個(gè)滴膠過程中,也要求精度控制以維持膠的流動(dòng),而避免損傷和污染芯片(die)。為了最佳的產(chǎn)量,經(jīng)常希望一次過地在芯片多個(gè)邊同時(shí)滴膠。可是,相反方向的膠的流動(dòng)波峰(wave front)以銳角相遇可能產(chǎn)生空洞。應(yīng)該設(shè)計(jì)滴膠方式,產(chǎn)生只以鈍角聚合的波峰。芯片數(shù)量和鄰近關(guān)系當(dāng)設(shè)計(jì)一個(gè)板上有緊密包裝的芯片(die)需要底部充膠時(shí),板的設(shè)計(jì)者需要留下足夠的空間給滴膠針嘴。圖一所示的位置一,兩個(gè)芯片共用一個(gè)滴膠路線是一個(gè)可接受的滴膠方法。與芯片邊緣平行的無源元件將有擋住的作用,如圖一位置二。與芯片邊緣成90deg;位置的元件可能會(huì)把膠液從要填充的元件吸引開。無源元件周圍的填充材料沒有發(fā)現(xiàn)壞的作用。點(diǎn)膠機(jī)來自鄰近芯片或無源元件的交叉的毛細(xì)管作用,會(huì)將填充材料從目的元件吸引開,可能造成csp或倒裝芯片底下的空洞。
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