低成本倒装芯片技术--DCA,WLCSP和PBGA芯片的贴装技术

前言

在过去的10年内我们已经看到，由于对提高封装密度、性能和降低陶瓷封装价格的需求，使在低成本有机基板上焊料凸点倒装芯片的研究和开发方面有了迅猛的增长。就像其他的许多新技术一样，低成本的焊料凸点倒装芯片仍然面临着严重的问题。在基板上或塑料封装的衬底上开发倒装芯片必须注意和了解下面的问题（与引线键合、常规的表面安装技术对比）：倒装芯片的基础设施是不容易建立的;倒装芯片专门技术不是普遍可用的；晶片凸点制作（也叫晶片上凸点的制作，全书同）仍然太昂贵；裸管芯/晶片不是普遍可用的；裸管芯/晶片不易操作；捡拾和放置更困难；助焊剂是更重要的；下填充（下填料）问题;返修更困难；焊接点的可靠性更为重要；检测是更困难的；倒装芯片的可测性很难建立；芯片收缩和膨胀问题；已知合格芯片问题以及在焊料回流和下填料固化期间芯片的开裂等问题都有报道。

在过去的五年里，许多专家已经研究了一些这样的关键问题，他们的研究结果已经发表在各种刊物上，更多的是发表在电的设计、材料科学、制造工程、电子封装和互连的会议上、专题讨论会和研讨会的论文集上。然而没有一种专门的信息源致力于描述低成本倒装芯片的技术。这本书就是为了弥补上述的不足，在第一部分及时地总结了五年来这个最具吸引力领域中所有方面的进步。这本书是写给那些能够很快地学习基础知识和解决问题方法的人，以使他们了解涉及低成本倒装芯片技术的折衷，并作系统层面的决策。

这本书共分成16个部分。第1章简要地讨论了IC封装技术的发展趋势和进展。第2章描述了两类最普通的芯片级互连，称为引线键合和焊料凸点，讨论了多于12种的晶片凸点制作方法。第3章介绍了无铅焊料的物理和力学性质，同时给出了100多种以膏、棒和丝形式的无铅焊料合金。第4章讨论了高密度印刷电路板（PCB）和基板，并重点讨论了具有微型通孔逐次增层（SBU）制备技术，也提供了一些设计高速电路的有用图表。第5章描述了具有例如各向异性导电胶（ACA）和各向异性导电膜等无焊料、无助焊剂材料的印刷电路板上倒装芯片（FCOB）,重点在于ACA和ACF FCOB装配的设计、材料、工艺和可靠性。

接着讨论了具有焊料凸点的FCOB。第6章讨论了具有常规下填料凸点的FCOB，讨论了高熔点和低熔点的焊料合金。第7章描述了非流动下填料的焊料凸点FCOB，考虑了类液体和类薄膜的非流动下填充两种情况。第8章描述了不完全下填充焊料凸点的FCOB，讨论了在FCOB装配中各种不完全下填充对焊接点可靠性的影响。

第9章讨论了焊料凸点FCOB的热控制，讨论了PCB结构、气流、芯片尺寸和功率耗散面积、下填充、焊料凸点数目以及热沉对FCOB装配热阻方面的影响。

第10章描述了晶片级封装，从系统制造者的观点看，绝大多数晶片级封装就像凸点倒装焊一样，除了晶片级封装的焊料凸点要大得多，并且更容易放置到PCB上，制造者不必须在下填充密封剂问题上下功夫。在这本书中简要地讨论了6个不同公司的晶片级封装。其他8个不同公司的晶片级封装，请参阅《芯片尺寸封装：设计、材料、工艺、可靠性及应用》（Lau and Lee，McGrawHill,1999）。

在《芯片尺寸封装》一书中已经报道了多于35个公司的芯片级封装，而在这本书的第11章描述了微孔和焊盘通孔（VIP）CSP基板上的焊料凸点倒装芯片的应用。第12章描述了直接的存储器总线组件上的微焊球阵列(μBGA)，也讨论了存储器总线组件的PCB制造、测试和装配。

下面描述的是在塑料球栅阵列（PBGA）封装中有机基板上的引线键合芯片。第13章用实验测量和破碎机械学方法考察面朝上PBGA封装的爆米花效应，也描述了直接安装在PCB背面、具有大的塑封方形扁平封装（PQFP）的较大PBGA。第14章描述了面朝下的PBGA封装家族。这些封装极好的电和热性能可以通过模拟和测量来证明。

本书的最后部分描述了在PBGA封装中有机基板上的焊料凸点倒装芯片。第15章讨论了由4个不同公司制造的焊料凸点倒装芯片PBGA封装的设计、材料、工艺和可靠性。第16章描述了PBGA封装中的焊料凸点倒装芯片的失效分析，重点是焊料凸点的挤压成型、芯片断裂和脱层。

这本书是为谁所写的呢？毫不怀疑，它将使三类专业人员感兴趣：①那些活跃的或有志于成为低成本倒装芯片技术的研究和开发人员;②那些已经遇到了实际的倒装芯片问题并且希望了解和学习更多方法来解决这些问题的人员；③那些必须为他们的互连系统选择一种可靠的、创新的、高性能的、耐用的和成本效益的封装技术的人员。这本书也能用作大学生和研究生的教科书，这些人将是未来电子工业的领导者、科学家和工程师。

我希望这本书将成为那些面对日益增加的IC速度、密度、降低产品的尺寸和重量过程中出现的挑战性问题的人们的最有价值的参考书。我也希望它能激励低成本倒装芯片技术在电和热的设计、材料、工艺、制作、电和热的控制、测试、可靠性以及在电子产品中的应用得到进一步研究和开发。

学习如何在互连系统中设计低成本倒装芯片技术的组织有能力使电子工业取得重要的进步，并在成本、性能、质量、尺寸和重量方面获得巨大的收益。我也希望呈现在这本书中的信息将帮助排除低成本倒装芯片技术的路障，避免不必要的错误开端，并加速其设计、材料和工艺的开发。我强烈反对电子封装和互连是高速计算瓶颈的观点。反之，我把通过开发革新的、有成本效益的和可靠的低成本倒装芯片产品，看作是对电子工业做出重大贡献的黄金时机。对于低成本倒装芯片技术来说，这是一个激动人心的时代。



JOHN H.LAU（刘汉诚）

Palo Alto California

本书涵盖了低成本倒装芯片从基本原理到发展前沿的整个范围。内容包括引线键合和焊料凸点两类芯片级互连技术、无铅焊料的物理和力学性质、高密度印刷电路板（PCB）和基板的微孔逐次增层（SBU）技术、使用常规和非流动以及不完全下填充焊料凸点的板上倒装芯片技术（FCOB）、使用微孔和焊盘通孔（VIP）芯片级封装（CSP）的基板焊料凸点倒装芯片的应用、面朝下PBGA封装技术、PBGA封装中的焊料凸点倒装芯片的失效分析等。本书还提供了丰富的具有参考价值的图表。

本书对低成本倒装芯片技术的研发人员、相关技术人员有重要价值，也可作为相关专业本科生、研究生的教学参考。

第1章集成电路封装的发展趋势1

11引言1

12集成电路发展趋势2

13封装技术的现状8

14小结14

参考文献14

第2章芯片级互连：引线键合和焊料凸点24

21引言24

22引线键合与焊料凸点26

23使用焊料的晶片凸点制作35

24α粒子67

25无焊料的晶片凸点制作67

致谢68

参考文献68

第3章无铅焊料72

31引言72

32国际上在无铅焊料方面的尝试72

33无铅焊料的物理和化学性质75

34倒装芯片应用的无铅焊料89

致谢90

参考文献91

第4章高密度印刷电路板（PCB）和基板93

41引言93

42过孔的分类94

43常规机械数控钻孔形成微孔97

44用激光钻孔技术形成微孔97

45感光成孔的微孔101

46化学（湿法）刻蚀和等离子（干法）刻蚀的微孔103

47导电油墨制备的微孔105

48日本的微孔生产108

49微型焊盘中过孔（ViainPad，VIP）112

410高速电路板的实用设计图113

致谢119

参考文献119

第5章使用无焊锡材料的板上倒装芯片技术122

51引言122

52使用各向异性导电薄膜（ACF）的板上倒装芯片（FCOB）贴装122

53使用各向异性导电胶（ACA）的FCOB贴装技术132

致谢137

参考文献137

第6章使用常规下填充料的板上倒装芯片技术139

61引言139

62使用高温焊料凸点的板上倒装芯片（FCOB）技术140

63使用低温焊料凸点的板上倒装芯片技术140

64下填充料许多理想的特性143

65下填充料的操作和应用144

66下填充料的固化条件144

67下填充料的材料特性145

68使用下填充料的板上倒装芯片的流动速率154

69使用下填充料的板上倒装芯片的剪切测试154

致谢157

参考文献157

第7章使用无流动下填充料的板上倒装芯片技术170

71引言170

72无流动类液态下填充材料172

73类液态下填充料的固化条件173

74类液态下填充料的材料特性175

75使用类液态无流动下填充料的板上倒装芯片（FCOB）贴装178

76使用类液体无流动下填充料板上倒装芯片（FCOB）的

可靠性测试180

77类液态下填充料的非线性有限元分析181

78类液态下填充料的总结和建议187

79使用类薄膜无流动下填充料的板上倒装芯片（FCOB）188

致谢191

参考文献192

第8章非完好下填充的基板上倒装晶片198

81引言198

82非完好下填充的FCOB的可能失效模式198

83用有限元方法分析断裂机理200

84在外角区附近非完好下填充的FCOB201

85在焊接拐角附近非完好下填充材料情况下的FCOB(芯片

尺寸影响)210

86在拐角焊料接口附近，在非完好下填充材料情况下的FCOB

(PCB厚度的影响)216

87下填充材料空洞对焊料接口可靠性的影响219

致谢223

参考文献223

第9章基板上倒装芯片的热管理226

91引言226

92SGSThomson测试芯片226

93PCB结构的影响227

94空气流速的影响228

95芯片尺寸和耗散功率面积的影响229

96基板上焊料凸点倒装芯片的散热途径232

97焊接数目的影响233

98PCB内信号层中铜组分的影响234

99下填充材料的影响234

910热沉的影响235

911小结236

致谢237

参考文献237

第10章芯片级封装238

101引言238

102EPS/APTOS的WLCSP239

103Amkor/Anam的wsCSPTM249

104Hyundai的OmedaCSP255

105FormFactor的WLCSP258

106Tessera的WAVE261

107牛津的WLCSP264

致谢268

参考文献268

第11章微焊盘通孔(VIP)基片上的焊料凸点倒装芯片271

111引言271

112在CSP结构中微VIP之上的倒装芯片271

113下填充对表面层压电路(SLC)基片形变的影响281

致谢288

参考文献288

第12章印刷电路板(PCB)的生产、测试和RIMMs的焊装290

121引言290

122Rambus组件PCB生产和测试293

123在Rambus模块上使用微球栅阵列（μBGA）的印制电路板

（PCB）焊装300

致谢308

参考文献308

第13章在塑料球栅阵列（PBGA）封装中的引线键合芯片

（芯片面朝上）310

131引言310

132PBGA封装爆裂popcorn的测试310

133PBGA封装爆裂的断裂机理321

134PBGA的PCB焊装(背面直接带有大尺寸的塑料四边

引线扁平封装）336

致谢345

参考文献345

第14章PBGA封装(面向下)347

141介绍347

142NuBGA的设计理念348

143NuBGA设计实例352

144NuBGA封装家族354

145NuBGA的电学性能354

146NuBGA的热性能357

147NuBGA焊料凸点可靠性365

148标准NuBGA封装的总结367

149配置更薄的衬底和不均匀散热片的NuBGA封装369

1410新NuBGA封装的热学性能370

1411新NuBGA封装的焊料凸点可靠性375

1412新NuBGA封装的电学性能376

1413新NuBGA封装的总结378

致谢378

参考文献378

第15章焊球凸点倒装芯片的PBGA封装380

151简介380

152英特尔的OLGA封装技术380

153三菱的FCBGA封装387

154IBM的FCPBGA封装397

155摩托罗拉的FCPBGA封装403

致谢415

参考文献415

第16章低成本衬底上倒装芯片的失效分析417

161简介417

162使用不完美下填充剂的FCOB的失效分析418

163界面剪切强度428

致谢432

参考文献432

英汉术语对照435

作者简介458