超声波振动辅助高密度倒装芯片塑封下填充工艺与机理研究

Underfill is an important process of flip-chip encapsulation because of its great impact on the reliability of the packagings. With the development of flip-chip technologies, the capillary-driven underfill process is suffering from the manufacturing problems of insufficient filling force and long curing cycle, and from the performance problems of low interface adhesion caused by poor wetting and inhomogeneous layer strength caused by filler distribution. In order to overcome the four problems in the capillary-driven underfill process, a novel ultrasonic vibration assisted underfill process for hight density flip-chip encapsulation is proposed, and the mechanisms of this process are studied in this project.However, the mechanisms of the associated ultrasonic vibration assisted processing are not well understood so far. In this project, a physical model for the ultrasonic vibration assisted underfill process is firstly proposed based on the theories of the ultrasonic vibration and the capillary-driven underfill. And then, the effects of the cavitation and the streaming on inducing fill gap, reducing cure cycle, enhancing interfacial wetting and homogenizing particle fillers are simulated using this model. So the mechanisms of the ultrasonic vibration assisted underfill process are studied by analyzing the simulation results and its associated experiment data. Furthermore, the effects of the ultrasonic parameters can also be studied by the proposed physical model, which is useful to conduct the ultrasonic vibration assisted underfill process.

下填充已经成为改善倒装芯片封装可靠性的关键工艺。随着高密度倒装芯片的发展，传统的下填充工艺在成型方面遇到了毛细驱动填缝力不足和固化过程复杂缓慢的问题，在成性方面遇到了润湿不足导致胶/壁界面粘结强度差和填料非均分布导致封胶层性能下降的问题。采用一种成型方法综合解决目前下填充工艺中所遇到成型和成性方面的四个问题，本项目提出超声波振动辅助高密度倒装芯片塑封下填充工艺，并对其过程机理进行了研究。由于目前对相关的超声辅助成型机理的认识仍不清楚，本项目结合超声波振动理论和毛细驱动下填充工艺模型，建立超声波振动辅助下填充工艺的物理模型，分析超声空化和声流效应对下填充过程中诱导填缝、加速固化、胶/壁界面增润增强以及封胶层匀质强化的作用过程，通过与实验结果进行因果关联分析，从成型和成性两个方面研究超声波振动作用对改善下填充工艺的机理，定量分析超声工艺参数对下填充工艺的影响，指导超声波振动辅助下填充工艺。

下填充成型已经成为改善倒装芯片封装可靠性的关键工艺。随着高密度倒装芯片的发展，传统的下填充工艺在成型方面遇到了毛细驱动填缝力不足、固化过程复杂缓慢、润湿不足导致胶/壁界面粘结强度差等问题。本研究提出超声波振动辅助高密度倒装芯片塑封下填充工艺，采用一种成型方法综合解决目前下填充工艺中所遇到成型和成性方面的问题，并对其过程机理进行了研究。..项目按原定计划顺利完成，主要研究内容及结果如下：.（1）采用格子Boltzmann介观方法研究了毛细驱动下填充成型工艺，基于Shan-Chen伪势模型建立了介观三维毛细驱动下填充模拟算法，并将模拟结果与实际芯片塑封点胶过程进行对比，验证了所提出模型正确性，同时也为下一步研究超声波辅助下填充成型奠定了基础。.（2）在高周超声波塑料焊接机的基础上进行改进，通过制作特定长矩形超声变幅杆，设计并加工了带有可控恒温芯片固定台架，试制成超声波辅助下填充成型工艺的实验台架及实验工艺。.（3）结合超声波振动理论，采用流固双向耦合的方法，建立超声波振动辅助填缝过程的物理模型，分析了超声波振动辅助填缝工艺的物理机理及作用规律。.（4）研究了超声波振动频率、振动幅度、振动压力、振动时间、振动位置几个因素对胶/壁界面结合强度的影响，通过正交试验优化超声波辅助工艺。超声波振动辅助最优工艺方案可以提高界面结合强度40.14%，可以提高胶接强度的稳定性58.29%。结合断裂界面的宏微观分析，总结超声波振动强化界面结合强度的机理。.（5）将超声波振动引入到环氧封胶中，通过差示扫描量热法（DSC）实验，获得封胶的加速固化反应模型。..本研究的开展，在生产工艺方面，提出并实现稳定的超声波振动辅助倒装芯片下填充工艺，解决高密度倒装芯片下填充工艺中出现的毛细驱动填缝力不足、环氧封胶固化复杂缓慢等问题。在理论研究方面，建立能够定量描述超声波振动外场作用下倒装芯片下填充过程流动、固化的物理模型，揭示超声波振动对提高下填充成型效率的机理。