第七章 集成电路封装中无公害衬底贴装薄膜

1、简介：本章介绍Hitachi公司为了使用无铅焊料而研究开发的几种新型衬底贴装薄膜。对于光电、光纤器件和封装，常常使用无铅焊料（如铟、Sn-In等）作为连接材料，这主要是因为这些连接材料的延展性比较好的原因，对于光电器件的封装来说，熔融或高温回流是与它本身不兼容的，所以非常需要非熔融键合技术；

2、无公害衬底贴装薄膜：银胶作为衬底材料已经被广泛使用了40年了，由于使用了无铅焊料，在高温回流中封装会出现裂缝和分层等现象，通过环氧铸模化合物的配方变化，减少了湿度吸附的数量，从而有效控制了这种“爆米花”现象，然而仍需大力发展适用于无铅焊接的衬底贴装薄膜材料；
a.铅模PQFP封装中使用的充银薄膜DF-335-7：铅模PQFP封装的衬底贴装材料一般包含聚酰亚胺树脂、热定型黏附树脂和银填料，这些材料应该成本低，湿度吸附少，剥离强度高。DF-335-7的构成情况如下：调整了的聚酰亚胺基树脂具有防水结构，含量适中的热定型树脂，40%质量的银填料；
b.BT衬底PBGA封装和芯片尺寸封装CSP使用的绝缘膜DF-400：对于在BT衬底上的PBGA封装和CSP封装中的衬底贴装材料的要求，要高于在框架形式的PQFP封装中的要求，因此除了要求湿度吸附小、剥离强度高之外，还要求低应力（可以减小芯片和衬底的翘曲）以及低的玻璃体相变温度Tg（可以降低芯片贴装温度）等；DF-400的组成成分包括：低Tg的聚酰亚胺树脂、含量经过优化的热定型树脂和绝缘填料，由于这些组分的共同作用，使DF-400具有相对低的贴装温度、低的应力和低的芯片翘曲；

3、无公害铟-锡衬底贴装键合工艺：铟在光电器件中用作连接材料，其熔点相对较低（156℃），所以接下来的键合操作所用的键合温度都要低于156℃，因此，所要求的键合温度应低于156℃但是要高于焊料的熔化温度，因此，一般选择的焊料为In-Sn二元系，其共熔温度是118℃；
a.铟-锡相图：最重要的应用特征是在118℃共熔点下，组分为51.7%的In和48.3%的Sn，等效的相包含终端In和Sn固态、两个中间相β和γ、两相之间的共熔，在这个系统中没有中间化合物；
b.铟-锡焊料连接的设计和工艺流程：UC-Irvine公司所设计的In-Sn多层复合层，Cr和Au薄层是在高真空系统中用电子束蒸发的方法在硅衬底上淀积出来的，在另一片硅片上，Cr、Sn、In、和Au层用高真空热淀积的方法在一个真空循环周期内依次淀积；
c.铟-锡（In-Sn）焊料结点的特性：为了检测连接的厚度是否均匀和连接的微结构，将几个样品进行切开和剖光，使用光学显微镜、扫描电镜（SEM）和X射线能谱仪（EDX）对剖面进行分析。另外用扫描声学显微镜（SAM）可以来研究连接质量和探测连接内部的空洞，对于所研究的样品，声学图像的对比主要是由于在连接物质和空气之间声学阻抗的不匹配，空气部分主要对应空洞的存在。通过对样品进行解键实验，连接处整体的再熔温度为125~150℃，这标志着在所测样品中，连接矩阵处In-Sn含量从共熔到富Sn变化，这个实际结果说明，它提高了在键合后封装所能承受的最高温度。