COB封装中芯片在基板不同位置的残余应力

COB封装中芯片在基板不同位置的残余应力

　　摘要：利用硅压阻力学芯片传感器作为原位监测的载体，研究了直接粘贴芯片的封装方式中，芯片在基板上的不同位置对于封装后残余应力的影响以及在热处理过程中残余应力的变化，发现粘贴在基板靠近边的位置和中心位置时应力水平接近，但是靠近基板一角的位置应力较大，而且在热处理过程中应力出现“突跳”和“尖点”。

　　l 引言

　　随着芯片技术的迅猛发展，重量轻、尺寸小的新一代智能电子产品不断问世，对电子封装的封装密度要求也越来越高, 多芯片模式(MCM，Muiti - ChipModuie)是其中的一种解决方案。它是将两片或两片以上的芯片集成在一起的技术。为了有效地利用基板材料的面积，经常采用COB(Chip on Board)的贴装方式将芯片粘贴在基板的不同位置。由于封装所带来的残余应力将直接影响芯片的性能和使用寿命，所以有必要了解有机基板材料上的不同位置的残余应力。国内外尚未发现这方面相关的报道。另外, 和其他方法如激光干涉法[ l ]、X 射线衍射法相比，压阻传感测量法最适合于实时监测[ 2 - 4 ]。本研究将研究粘贴在不同位置的芯片表面的残余应力, 并且原位测量热处理过程中的应力变化过程。

　　2 实验原理、方案及装置

　　图1 是硅的(111)面示意图。在实验中采用的是基于此面上的n 型硅压阻传感芯片。根据相关的压阻理论，采用平面应力解的力学计算公式[ 2 ] ,其中，Oij是应力分量，B1 、B2 是相互独立的压阻系数，R1 、R2 、R3、R4 分别代表φ = 45°，90°，135°，180°四个方向的电阻值，△R表示在应力作用下和无应力作用下的电阻差值。

图1 (111)硅片

　　实验中采用的含Si(111)面n 型压阻传感器的芯片尺寸为6. 6mm X 6. 6mm X 1. 35mm(见图2)。芯片上有五个测试点(A、B、C、D、E)，每个测试点有八组电阻，分别向八个方向伸展，感应不同方向的电阻变化值。电阻测试使用多通道实时测试系统，由微机控制的Keithiey2001 多用表及其内置的扫描卡组成。

图2 测试用的硅压阻传感芯片

　　在实验中, 基板材料采用电子行业广泛使用的FR4(环氧树脂纤维布覆铜箔层压板)材料。所选的基板的尺寸均为40mm X 40mm X 1mm。芯片分别贴在两种基板的中心位置、靠近一边的位置和靠近一角的位置，分别对应标号为1、2 和3(见图3)。应当指出的是，图3 的基板上具有可以和芯片上的引脚相连的电路图形，这里为了示意粘贴位置而省略。

图3 芯片粘贴在基板上的位置示意图

　　测试步骤为：通过金丝球焊先将硅片上待测试电阻所对应的焊盘连接到基板的引脚上，测量在无应力状态下的电阻值;在基板加热到60℃ 时将粘合剂充入基板材料与芯片之间，然后在150℃ 烘箱内固化。固化过程按照商业产品的使用说明进行，在有机粘合剂的固化过程中测量电阻随温度的变化。在粘合剂完全固化后，再次测量最后的电阻值。热处理在固化完成24h 以后进行。考虑到固化温度和粘合剂的特殊关系，固化后的热处理仍然采用固化时的处理制度，即将已经固化的样品重新在烘箱内升到固化温度150℃，然后自然降温，然后再次记录其电阻值。

　　选用的粘合剂参数为：玻璃化转变温度θg =135℃，低温热膨胀系数α1 ( < θ g)= 28 X 106/ ℃，高温热膨胀系数α2 ( > θ g )= 90 X 106 /℃，弹性模量E = 9 Gpa，粘合强度为145 Mpa，固化制度为150℃ X 60 min 。实验中采用的FR4 材料的热膨胀系数为16 X 106 /℃，Si 为3. 2 X 106 / ℃。

　　3 实验结果与讨论

　　3.l 测得不同位置的残余应力分布

　　将取自同一流程、同一硅片上的三个独立应力传感芯片, 分别粘贴在图3 所表明的位置l、2、3上。将测得数据进行处理归纳，绘出图4。

　　图4 芯片粘贴在不同位置时的表面残余应力分布(其中图a,b对应位置l，图c,d对应位置2，图e,f对应位置3)

　　对图4 中的数据进行数理统计，可以得到表l。从表l，可以看到在不同位置的表面正应力差和剪切应力的平均值、标准偏差和最大值。就正应力差而言，在位置l 和位置2 的水平相当，位置l 的平均值和最大值略高于位置2，位置l 的标准偏差略小于位置2，但是位置l 和位置2 的平均值、标准偏差和最大值都远远小于位置3 的对应值。而对于平面剪切应力而言，位置l 和位置2 的标准偏差和最大值比较接近，但是位置l 的平均值高于位置2 的平均值。位置3 的标准偏差都高于位置l 和位置2，平均值介于位置l 和位置2 之间。综上所述，当芯片粘贴在基板的不同位置时，位置l 和位置2 的应力水平和分布状况比较接近，而位置3 的应力水平高于位置l 和位置2，应力分布也更加分散;不同位置在正应力差方面的差异要甚于在剪切应力方面的差异。

　　3.2 固化和热处理过程中的应力变化曲线

　　实验还对热处理过程中的应力变化作实时记录，作出如下曲线(见图5)。

　　图5 在多次热处理过程中粘贴在不同位置时芯片表面 E 点的应力随时间的演化曲线

　　图5 是芯片粘贴在位置2 和位置3 时芯片表面的正应力差在热处理过程中随时间的演化曲线，其中( a) 图对应位置2，( b) 图对应位置3。图中用为了使实验结果具有可比性，这里都考察E 点的正应力差。图中用两条平行的粗线条围成的窗口对应实验中的保温阶段。E 点是芯片靠近角上的一点，所以应力比较集中，变化也比较剧烈。从( a) 图可以看出，在位置2，在固化后的三次热处理过程中应力基本上重复着相同的轨迹，即在升温的过程中应力逐渐释放，在保温阶段应力在零点上下浮动，而在冷却阶段应力积聚，回到起点的水平线上。而在( b) 图中，在位置3，在固化后的热处理过程中，应力变化剧烈。在第一次热处理过程中，在保温大约20min，即70min时，应力突然剧增，从- 20Mpa 增加到- 76Mpa，然后应力在冷却过程中逐渐释放到大约- 40Mpa。在第二次热处理过程中，正应力差发生了更加剧烈的变化，在大约70min 时，应力剧减到大约- 20Mpa，在保温阶段结束后，大约l20min 时，应力突然出现一个峰值，到达- 88MPa，然后正应力差迅速转向为正值，即正应力在相互正交的方向上的分布发生了变化，然后应力又逐渐积聚到大约30MPa。在第三次热处理过程中，应力在升温阶段释放了一部分，在保温阶段比较稳定，但是在冷却阶段应力在冷却的初始阶段出现两个峰值，并在热处理结束时回到了热处理开始时的水平。

　　综上述，可以发现，每一次热处理的应力都是从上一次热处理结束的应力水平开始的，这说明在热处理以后，当芯片在空气中保存的时候，应力变化很小，即在经过热处理以后应力处于一个比较稳定的水平。当芯片粘贴在靠近一边的( 位置2) 时，应力变化在热处理过程中每次都重复着相同的变化趋势，即在升温的时候应力逐渐释放，在保温的时候处于低应力状态，在冷却过程中应力又逐渐积聚。当芯片粘贴在基板中心( 位置1) 时，可以发现相同的规律。当芯片粘贴在靠近一角( 位置3 ) 时，芯片在热处理过程中应力变化剧烈，出现应力“突跳”和“尖点”，因此芯片应该尽量避免粘贴在这一位置。由于粘合剂在加热过程中由固态转化为液态，而在冷却过程中又发生液态向固态的转变，因此，在角位置处由于重心的偏移可能导致粘合剂在芯片和基板材料之间发生形变，对应在应力上，即可能表现为“突跳”和 “尖点”。而在基板的中心位置和靠近一边的位置上，不大可能发生类似的重心偏移，所以应力变化表现为连续的。

　　4 结论

　　通过对芯片粘贴在不同位置时芯片表面的残余应力和以及在热处理过程中的应力变化的原位测量，可以得出以下结论：

　　1.当芯片粘贴在基板中心和靠近一边的位置时粘接剂固化后残余应力分布的平均值、数值的分散性和最大值处于相接近的水平，但和粘贴在靠近一角的位置时应力分布状况不同。粘贴在靠近一角的位置时应力的分散性大，最大值也远远大于粘贴在另外两个位置;应力最大值均分布在芯片最靠近一角的点上。

　　2.芯片粘贴在中心位置和靠近一边的位置时，应力在热处理过程中随不同的温度制度呈有规律的起伏变化，而粘贴在靠近一角的位置时芯片的应力在热处理过程中变化剧烈，出现“突跳”和“尖点”。