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摘要：
新的底部填充方法采用了喷射技术，它使得采用更多的倒装晶片级高密封装成为了可能。与传统的针筒式施胶方法相比，喷射型底部填料与其他半导体封装流体一样，是粘合剂应用方法的一个替代典范。在过去，经常依靠各种各样的泵来输送流体，他们的共同点都是把流体从针管挤压出来。喷射式方法放弃了针管，从而解决了与针管相关的所有问题，并开创了新的应用粘结剂的技术方法。同时，如果封装设计者乐于考虑不同的封装设计方法，他们可以参考关于大型芯片底部填充的新理念---如果需要的话可以采用零宽度边角。本论文将讨论关于喷射式毛细管作用底部填充方法和无流动底部填充方法的理论和过程，它是一项新的最小化填充时间的大型芯片底部填充方法，本论文还将回顾底部填充的基本原理。
关键词：
喷射，底部填充，输送，倒装
回顾：底部填充的基本原理
使用正确的毛细管作用和无流动底部填充工艺，比以往任何时候都要重要，因为它允许在今后的产品上持续的使用越来越多的倒装芯片。在任何底部填充应用中，首先要分析系统的容限，以确定输送参数。输送的底部填充料的体积为：芯片下面容积减去突点的体积加上填料在芯片周围形成的边角的体积。当突点最高，边角宽度和高度最小以及芯片尺寸最大的时候，所需流体数量存在一个最小值；在这种情况下，如果输送比最小值更少的流体，那么芯片会底部填充不足或者边角高度不足。当突点最低，边角宽度和高度最大以及芯片尺寸最小的时候，所需流体数量存在一个最大值；在这种情况下，如果输送更多的流体，边角将会超越界线或者溢到芯片顶部。见图表1，2和3。
可以在http://www.asymtek.com/support/flipchip.htm下载到flip chip calculator，通过它能够计算合适的底部填料的输送量并确定边角宽度容限，从而制定一个稳固的生产工艺。见图表4。
举例说来，如果芯片具有图表5所示的容限，所需的输送量应该为20.1mg±5.9%，这是不可能的。因为边角尺寸被限制到1.5±0.2mm，这个生产工艺是不可行的，它导致必须输送到芯片底部的最小填料量大于允许的最大量（即突点最短，允许边角尺寸最大）。因此，即使点胶机具有理想的精度，也无法执行这一底部填充工艺。
为了修正这一工艺，提高边角尺寸变量或者获得更高的芯片容限，请看图表6和图表7所示的关于毛细管作用和压部填料的流动时间方程式。
芯片下面的间隙(h)的变化对流出速度和波阵面的影响程度几乎相当于突点分布对它们的影响程度。
随着流体在突点四周流动，从滞留区看，底部填料似乎流向了芯片的其它侧边。通过使用2种颜色的底部填料和玻璃芯片，可以发现大量与流动方式相关的信息。
通常，最为接受的输送填料的方式为“I”和“L”路径。见图表8。典型的，“L”路径的速度比“I” 路径快2的平方根倍。
从图表8可以明显看到速度、结合线路和滞留区的差异。
在大量x-光和超声图片中可以看到条纹和流动线路，这要归因于底部填料的规则流动，当它穿越芯片下面迷宫似的突点和通道的时候，就像流体实质上以一种更为宏观的方式流过一样。见图表9。
“L”或“I”可以一次施胶成型，也可沿同一路径多次施胶而成。多次施胶用来最小化残留的浸湿区域。如果沿着芯片一次把所有的填料输送完毕，填料可能会大部分溢到芯片表面或者芯片之外的区域。随着填料在毛细作用下在芯片下面流动，后面会拖有残留。如果一开始只是输送1/2的填料，那么被润湿的边角面积会更小，而且在第一次输送的填料流到芯片下面以后，后面的残留也会更少。大部分施胶场合要求自动输送机延迟一定时间后返回到芯片并沿着同一路径执行第二次施胶。当必需的填料流过整个芯片底部后，可能会沿着一条“封闭”的路径再施一次，这样可以使得芯片周围的边角连贯平滑。底部填充应用中很少导致在芯片下面产生气泡。大多数情况下，产生气泡的根本原因是不正确的烘烤基材，过量的助焊剂或没有充分清洗助焊剂。
无流动底部填充应用非常类似于芯片连接粘合剂应用。以星型阵列应用填料允许在贴放芯片的同时完全排放出所有空气。无流动底部填充的挑战依然是环氧化剂。大部分无流动底部填充料拥有更少的填充物，因此其模量更低，可靠性也较低。然而，对于低I/O应用，无流动底部填充是个不错的选择。如果芯片贴装时间或者其他装配过程不是瓶颈的话,与毛细管作用底部填充相比，无流动应用具有高生产能力的优势。
底部填充应用替换范例
用自动针筒式输送方法已经可以实现毛细作用或无流动底部填充。就像任何新的组装技术一样，已经出现的一系列的问题和开创性的解决方法，允许制造商可以使用各种不同的生产过程进行底部填充。使用喷射技术，而不是针筒，为底部填充应用带来了技术上的变化。这就像几年前，相对于针式打印，引入了喷墨打印一样。
针筒式输送对喷射式输送
表格1描述了与自动针筒式填料输送相关的传统问题，以及喷射式技术是如何从本质上消除这些问题或以另外一种过程控制方法减轻这些问题的影响的。喷射式的一个独到的优点是小流注尺寸。这一点对于封装具有重大的意义，由于喷嘴能够在更小的空间应用填料，设计者可以把相邻的两个芯片封装在更近的区域内，如下图10所示。
使用喷射技术后，计者可以把相邻的两个芯片封装在更近的区域内。
市场上有多种可用的喷射技术。压电，压力，热能和连续流喷射都局限于低黏度填料。见图表11。机械喷射向少量填料施加高能量，这样提供了使用高黏度填料的机会。机械喷射的典型填料黏度范围为300cps到900,000cps。见图表12。
机械喷射的工作方式
机械喷射以以下方式工作。最初，一个弹簧加载的空气活塞把一个“针”形球状物保持在一个喷嘴底座上。膛内流体承受的压力不高(小于0.2MPa)。为了形成一个点滴，使用气体的压力迅速把球状物吹离底座。一定时间后，气压被释放掉，球状物在弹簧控制的比率下往下移动。在就要关闭保持在底座上的球状物的时候，对于直接位于底座和球状物之间的流体，其脱离喷嘴的流阻低于返回到流膛的流阻。在最后一刻，压力迅速增加，一股粘合剂从喷嘴挤压出来。后面的流体冲击到喷嘴的时候，一股冲击波从喷嘴猛地吸住了流体。
图表13是一幅电脑模拟的点滴发生过程图。这是一个独具特色的过程，并获得了专利保护。该设计方法最大程度优化了流动路径，在冲击前的一霎那形成高压。
这个动作本身并不复杂，复杂之处在于为所需的不同的流体量和流体黏度优化出各式各样的底座、喷嘴和球状图形。除此之外，为了把流体保持在一个最合适的黏度水平，喷嘴还具有温度控制的能力，这一点是通过电阻加热器和空气冷却器实现的。从图表14可以看出在温度不变的情况下，点滴尺寸随不同尺寸的喷嘴/底座/球状物的变化关系。
材料能力
墨水，试剂和紫外线(UV)可修复粘结剂可用于喷射工艺，这也是低黏度喷射的经局限性。自从1992年开发出机械喷射技术以来，各式各样流体的数量已经呈对数增长。从图表15可以看到，对于应用喷射技术的底部填充方法，在电子组装行业中使用的各种喷射材料与时间和最小点滴之间的关系。经过鉴定，下面几种材料是可用于喷射技术的：SMA，银，焊剂，UF，硅树脂，无流动UF，保形涂料，UV ，磷，蜡，热熔性物质，液晶，干燥剂，液态P型材料，阻焊膜，焊膏， 涂料，润滑剂，试剂，热油脂和密封环氧。然而，每种材料都有大量可行的配方设计。例如，底部填充材料是一种材料，但是大部分部填充材料来自多个卖主，像Loctite, Namics, Shin-Etsu, Cookson等等，它们的产品都是可喷射的配方设计。
喷射技术的挑战
底部填充粘合剂是高度填充和研磨的材料，在喷射机构中存在各种各样的磨损区域。通过使用碳化物，硬化钢和电镀鉻，已经把磨损问题降到了可以接受的正常磨损和破坏的水平。磨损零件均设计成了低成本配件，而且更换也很容易。
当在喷射中使用新的填充材料的时候，也出现了新的问题。喷射低黏度材料的时候有可能产生飞溅现象。对于飞溅到固体表面的小滴，固体表面上的流体薄膜和和流体界面的流体薄膜，已经对作了一些分析。对于底部填充和喷射，大部分相关分析都是针对飞溅到流体薄膜之上的小滴的。下面的经验公式给出了一个称作“Sommerfeld Parameter”的关系：
其中，We是韦伯数，Reynolds是雷诺数。
其中:
P= 流体密度
U = 滴落速率
D = 滴落直径
Y = 流体表面张力
μ= 流体黏度
当无因参数K大于50的时候，将发生飞溅。当冲击发生在固体表面的时候，是否飞溅取决于表面粗糙度。粗糙的表面将导致在早些时候发生飞溅。高韦伯数和雷诺数表现出强烈的冲击，这暗示出粘性对飞溅的影响较小。低冲击速度和高黏度流体不会产生飞溅，但却导致沉积现象。随着粘性变低，速度变快和点滴质量变重，点滴从沉积慢慢变化到飞溅。见图表16，17。机械喷射的最高速度大约为5米每秒。
在理论计算和实际生产中可以发现，由于底部填料具有高粘性，所以他们不会飞溅。对于500 cps的材料，即使以5 m/s的最高速度和每滴0.3mg的巨型点滴容积(60mg/sec)，也不会发生飞溅。在喷射底部填充材料的过程中，存在一个重要边界，该边界把飞溅与不飞溅隔在了楚河两岸。
底部填充新方法
随着大型芯片突点高度的降低，人们认识在它们身上利用毛细管作用的底部填充工艺变成了一个问题。从图表17可以看出，对于25微米间隙的芯片，其流出时间对芯片长度的依赖程度。把粘性，接触角和材料的表面能代入图表6所示的公式，可以绘出图表18中的虚线。
我们可以采用新的方法进行底部填充，从芯片的背面填充间隙。在芯片中心下方的基材上开一个通孔，见图表19。位于倒装芯片边缘的突点所受的应力最大，许多芯片也并非完全组装在基板上，而且芯片中间也没有突点。所有要做的工作就是在大约1mm的基板上开一个小孔，孔的位置不一定要正好位于中心，可以根据需要有所偏移。通过使用从背面填充倒装芯片的方法，可以把有效长度缩短到原来的一半，因此流出时间将变成原来的1/4。举例说来，如果把填料L3595用于20平方毫米大小的芯片，如果采用常规底部填充方法，底部填料从芯片底部完全流出的时间为140s；如果使用背面填充方法，有效长度为10mm，因此只需大约35s的时间。
由于填料是从芯片中心流向四周，所以没有外部湿润区域，边角的宽度取决于流体在芯片边缘的润湿性。而且，通过观察玻璃芯片底部的流动特性，我们发现结合线不复存在了。
CSP底部填充
倒装芯片和CSP的底部填充过程是一样的。然而，对二者进行底部填充的原因是不一样的。填充倒装芯片底部的原因是为了减少热循环导致的突点张力，填充CSP底部的原因是为了降低机械振动引起的突点张力。突点内的张力是分布在突点不同高度处的突点扭曲。
在加热期间，硅和基板之间的CTE（热膨胀系数）差异会导致倒装芯片上的突点变形。CSP的突点要比倒装芯片的突点大，CSP封装合成物的本性意味着CSP的CTE比倒装芯片上的硅的CTE更接近于基板的CTE。因此，CSP突点所受的由于热量的影响导致的突点张力要小的多，所以不需要底部填充。然而，CSP的质量远大于倒装芯片的质量，振动过程中，它是引起突点内部产生变形的一个因素。当基板，如蜂窝电话机PCB（印制电路板），跌落的时候，主板的冲击反应会激起许多振动模式。PCB振动，弯曲，从而使CSP遭受高强度的惯性力，CSP和PCB异步变形，最终导致突点变形并严重扭曲。通过把底部填充应用到CSP上，使PCB和CSP保持同步变形，从而降低突点张力。
图表19是幅PCB和CSP互联的电脑仿真图。一种情况下对CSP执行了底部填充，另一种情况未对CSP底部填充。底部填充过的CSP所经受的张力是未填充过的CSP所经受的张力的1/7。类似于倒装芯片，最大的张力总是分布在CSP边缘。有些时候，只是在CSP的顶角应用了粘合剂。由于粘合剂只是用来抵抗机械振动的，所以CSP下面的留空区域并不是个问题。
与针筒输胶方式相比，在CSP上应用喷射式底部填充具有三个主要好处。不需智能感知高度（更高的生产能力），小边角尺寸（提供了更紧凑的期间封装）和小流注尺寸（允许通过RF屏蔽盖上的1.0mm大的小孔对CSP进行喷射填充）。
结论
通过使用工具定义底部填充量和边角尺寸，底部填充已经成为一个稳健的制造工艺。如果流动情况分析需要，工艺工程师可以使用透明的芯片和不同颜色的底部填充剂。I形和L形路径，以及步其尘后的封闭形路径，都已在业界广泛使用。
喷射技术已经为底部填充工艺的鲁棒性再创新高。通过摈弃输送过程中的针筒，缩小了针筒导致的问题范围。因此，喷射技术提高了底部填充工艺的生产能力和产量。如今，有大量底部填料可用于喷射技术。与高填充底部填料相关的磨损问题，已经通过使用坚硬的且廉价的零部件得到了解决。随着更多流体使用机械喷射技术，即使是500cps的低黏度填料也可以以很高的喷射速度实现无飞溅喷射。喷射的工艺窗口相当宽广。
底部填充的一个关键的缺陷就是底部填料从巨型芯片下面流出的时间很长。通过在芯片下面的基板上留出一个通孔，可以把流出时间缩小到原来的四倍。这是一个有效的避免底部填充成为生产线瓶颈的方法。
可以直接把喷射UF的法则用在CSP底部填充上。虽然倒装芯片和CSP的失效机制不同，但是如果为二者均执行底部填充处理，确实能提供坚固的产品。喷射底部填料允许更紧凑的CSP/SMD封装密度，因为它可以接受更小的器件间距，而且有可能通过屏蔽盖上的小孔向内部喷射底部填料。
致谢：
1. Quinones, Horatio, Chief Scientist, Asymtek, Carlsbad, CA, USA
2.Lewis, Alan,Director of Applications,Asymtek, Carlsbad, CA, USA
参考资料：
[1].Christophe Josserand and Stephane Saleski, “Dorplet splashing on a thin liquid film”, Physics of Fluids, Volume 15, Number 6, June 2003.
[2].C. Mundo, M. Sommerfeld, and C. Tropea, “Droplet wall collisions: Experimental studies of the deformation and breakup process,”Int. J. Multiphase Flow 21, 151 (1995).
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