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柔性電路板上倒裝芯片組裝技術(shù)解析

2017-02-15 11:30

柔性電路板上倒裝芯片組裝技術(shù)解析

由思想來(lái)控制機(jī)器的能力是人們長(zhǎng)久以來(lái)的夢(mèng)想;尤其是為了癱瘓的那些人。近年來(lái),工藝的進(jìn)步加速了人腦機(jī)器界面(BMI)的進(jìn)展。針對(duì)生物醫(yī)學(xué)的應(yīng)用,杜克大學(xué)的研究者已經(jīng)成功地利用神經(jīng)探針開(kāi)發(fā)出訊號(hào)處理的ASIC,以及無(wú)線傳輸動(dòng)力與信息的電子電路系統(tǒng)。再下一步,就是開(kāi)發(fā)組件的封裝技術(shù)。然而,這些組件將如何相互聯(lián)接呢?
尺寸和可靠性對(duì)生物醫(yī)學(xué)用的植入物而言,是最重要的兩個(gè)要素。微電子業(yè)的兩個(gè)封裝技術(shù)(倒裝芯片接合和柔性載板)正好適用于這個(gè)應(yīng)用。倒裝芯片接合技術(shù)已經(jīng)發(fā)展30多年了。此一技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是體積小、接線密度高,而且因?yàn)橐_短而電性得以改善4。倒裝芯片接合技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì),是能夠?qū)⒍鄠€(gè)不同尺寸的芯片封裝在同一片載板上,構(gòu)成多芯片模塊。這種封裝方式能免除又大又不可靠的連接器。


此外,由聚亞酰胺(polyimide)做成的柔性載板能夠彎曲和折迭,可以充分利用空間做成體積小的組件。但因?yàn)榫蹃嗸0凡牧蟽H適用于低溫接合技術(shù)(制程溫度低于攝氏200度),所以必須使用熱硬化黏膠,而非焊錫來(lái)提供機(jī)械性和電性的聯(lián)結(jié)。在這個(gè)研究中,我們使用低成本的柱形金凸塊技術(shù),而非其它類(lèi)似應(yīng)用中所采用的錫鉛凸塊技術(shù)。

為了發(fā)展適用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的制程,我們?cè)O(shè)計(jì)并以聚亞酰胺為基材制造測(cè)試芯片。這些測(cè)試芯片在打上柱形金凸塊后,被用來(lái)驗(yàn)證制程。我們分別測(cè)試了導(dǎo)電和絕緣的熱硬化黏膠,并在做過(guò)溫度循環(huán)測(cè)試后,測(cè)量接觸電阻以評(píng)量產(chǎn)品的可靠性。

接合技術(shù)
我們希望能夠使用柱形金凸塊技術(shù)和熱硬化黏膠,發(fā)展一個(gè)可靠的制程,將切割后的芯片接合在柔性載板上。在這個(gè)研究中,我們測(cè)試了兩個(gè)接合的方法;第一個(gè)方法使用絕緣的熱硬化黏膠、第二個(gè)方法使用導(dǎo)電黏膠和絕緣的底部填充膠。每一個(gè)測(cè)試組件都由測(cè)試電路載板和仿真芯片(dummychip)所組成。管腳陣列封裝的載板也被設(shè)計(jì)在同一片聚亞酰胺載板上,以便于未來(lái)用于測(cè)試神經(jīng)訊號(hào)放大器芯片。

仿真芯片的制備:為了使軟性的仿真芯片能像硅芯片一樣硬,我們得在這個(gè)軟性的仿真芯片背部加上一個(gè)加強(qiáng)性構(gòu)件??墒怯奢d板制造商提供的加強(qiáng)性構(gòu)件太軟了,所以我們用一小塊1毫米厚的顯微鏡用的載玻片取代制造商所提供的加強(qiáng)性構(gòu)件。柱形金凸塊:測(cè)試中所使用的仿真芯片和芯片的柱形金凸塊都是用手動(dòng)金球焊線機(jī)(Kulicke&Soffa抯4524AD)做出來(lái)的。
絕緣的熱硬化黏膠接合:在絕緣的熱硬化黏膠接合方法中,長(zhǎng)了柱形金凸塊的芯片和載板用絕緣的熱硬化黏膠接合。芯片和載板的對(duì)準(zhǔn)和接合是用倒裝芯片接合機(jī)(SUSSMicrotec抯FC150)。接合的步驟如下:
1.將長(zhǎng)了柱形金凸塊的芯片和載板裝載到倒裝芯片接合機(jī)。
2.芯片和載板由倒裝芯片接合機(jī)對(duì)準(zhǔn)。
3.將絕緣的熱硬化黏膠涂布在載板上。
4.依表2與圖3的條件將芯片與載板接合。
5.黏膠在接合的壓力下被熱硬化,然后在釋壓前冷卻下來(lái)。


導(dǎo)電黏膠的接合技術(shù)

在導(dǎo)電黏膠的接合方法中,先將長(zhǎng)好柱形金凸塊的芯片放入銀膠的薄層。再把這個(gè)沾了銀膠的芯片用絕緣的熱硬化黏膠與載板接合。芯片和載板的對(duì)準(zhǔn)和接合也是使用倒裝芯片接合機(jī)。接合的步驟如下:
1.將長(zhǎng)了柱形金凸塊的芯片裝載到倒裝芯片接合機(jī)。
2.將載玻片放在放載板的吸盤(pán)上。
3.將薄薄的一層導(dǎo)電銀膠在涂布在載玻片上。注意:將導(dǎo)電銀膠稀釋10%以達(dá)成較好的沾膠效果。
4.用倒裝芯片接合機(jī)將導(dǎo)電銀膠延展成30微米厚。
5.將長(zhǎng)了柱形金凸塊的芯片壓入30微米厚的導(dǎo)電銀膠層。
6.取走載玻片,然后放入載板。
7.在載板上涂布絕緣的熱硬化黏膠。
8.將芯片與載板對(duì)準(zhǔn),然后透過(guò)黏膠與載板接合。
9.黏膠在接合的壓力被熱硬化,然后在釋壓前冷卻下來(lái)。

溫度循環(huán)測(cè)試:溫度循環(huán)測(cè)試經(jīng)常被用來(lái)驗(yàn)證接合點(diǎn)的可靠度。在溫度循環(huán)測(cè)試期間,每30秒就記錄一次溫度和仿真芯片上一對(duì)凸塊間的電阻。
溫度循環(huán)測(cè)試的溫度變化條件設(shè)定如下:
1.保持在攝氏85度,10分鐘。
2.以最快的速度降溫到攝氏零下10度。
3.保持在攝氏零下10度,10分鐘。
4.以最快的速度升溫到攝氏85度。
5.重復(fù)這個(gè)溫度變化周期。

將仿真芯片從聚亞酰胺基材上切割下來(lái),黏合載玻片以加強(qiáng)軟性仿真芯片的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,打上柱形金凸塊,然后以前述的兩種方法(絕緣的熱硬化黏膠接合技術(shù)、導(dǎo)電的熱硬化黏膠接合技術(shù))將仿真芯片與柔性載板接合起來(lái)。由于這個(gè)做在聚亞酰胺基材上的仿真芯片是半透明的,我們能夠以目檢檢視接合的界面。柱形金凸塊看起來(lái)是很平均的被壓縮,這表示平面度控制得很好。對(duì)準(zhǔn)的精確度控制在3微米之內(nèi)??梢钥吹皆陴つz層之內(nèi)有一些空氣氣泡,但是,這些空氣氣泡看來(lái)并不會(huì)影響效能。

使用柱形金凸塊和黏膠的接合技術(shù)有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。首先,這個(gè)方法適用于已切割的芯片。實(shí)際上,使用軟性的仿真芯片作為測(cè)試組件,是一個(gè)發(fā)展接合技術(shù)的較廉價(jià)且實(shí)際的方法。而半透明的測(cè)試組件更是使用聚亞酰胺做為基材時(shí)所未預(yù)料到好處。由于測(cè)試組件是半透明的,我們可以輕易的使用光學(xué)微鏡來(lái)檢查接合的質(zhì)量。使用絕緣的熱硬化黏膠接合技術(shù),制程步驟較為簡(jiǎn)單,并且不需要清洗步驟與額外的底部填充膠。在導(dǎo)電黏膠的接合方法中有幾個(gè)步驟需要非常小心的控制,尤其是涂布銀膠與沾膠。此外,為了機(jī)械強(qiáng)度的考慮,需要增加涂底部填充膠的步驟。這兩個(gè)方法的共通缺點(diǎn)就是黏膠固化時(shí)間(10分鐘)太長(zhǎng);就研究而言,這是可接受的。然而,就量產(chǎn)而言,一種固化時(shí)間更短的黏膠是有必要的。我們相信黏膠和底部填充膠被固化時(shí),能將芯片和載板拉緊,因而強(qiáng)化了接合的質(zhì)量。在溫度循環(huán)測(cè)試中,絕緣的熱硬化黏膠接合技術(shù)的平均電阻,符合我們的預(yù)期;這個(gè)結(jié)果也和其它單位的結(jié)果相當(dāng)。使用絕緣的熱硬化黏膠接合技術(shù),在柔性載板做倒裝芯片接合所制備的組件與商業(yè)化生產(chǎn)的陶瓷管腳陣列封裝組件,在電性上的表現(xiàn)是一致的。此外,此一技術(shù)還有體積小與能適用于不同形狀的優(yōu)勢(shì)。
為了以倒裝芯片封裝將神經(jīng)訊號(hào)放大器的ASICS芯片接合上柔性載板,我們開(kāi)發(fā)并評(píng)估了兩種接合方法,并用制造于聚亞酰胺基材上的仿真芯片做制程的開(kāi)發(fā)與測(cè)試?;谥瞥毯?jiǎn)單與可靠性佳的考慮,我們選用絕緣的熱硬化黏膠接合技術(shù)與柱形金凸塊技術(shù)。我們也用這個(gè)方法將神經(jīng)訊號(hào)放大器的ASICS芯片接合上管腳陣列封裝載板。第一個(gè)試做就產(chǎn)出了一個(gè)100%功能良好的產(chǎn)品。

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