文章来源：SMT技术网

摘要:

    随着射频领域小型化、多功能、高集成的需求增长,系统级封装成为射频组件新的发展方向。基于高温共烧陶瓷基板封装的SiP组件,结合装配工艺过程,研究植球、封装堆叠、表面贴装阶段的热冲击对各向同性环氧导电胶粘接强度的影响,对比了三种导电胶在多次热冲击下粘接强度的变化。试验结果表明,回流热冲击在一定程度上降低了导电胶的粘接强度,随着回流次数增加导电胶强度的降幅逐渐趋于稳定,经历10次回流后的导电胶强度仍然高于GJB548B要求。关键词: 系统级封装;导电胶;热冲击;剪切强度

01引言

    随着射频领域小型化、多功能需求的不断增长,传统形式的多芯片组件(MCM)面临着封装效率较低、集成度不高的挑战[1]。近年来,在陶瓷基板表面组装IC芯片、以陶瓷-金属封装结构的系统级封装(SiP)组件不断出现,成为一种新的射频组件发展方向。在射频SiP组件的装配过程中,微波单片(MMIC)和微机电系统(MEMS)的组装与导电胶的应用密不可分[2]。作为一种常用的微组装材料,导电胶的性能及其服役状态下的失效机理已得到广泛研究。但对于装配过程的研究分析主要集中在工艺性方面,对于复杂工艺条件下导电胶的可靠性是否受影响仍然值得关注。本文将通过高温共烧陶瓷(HTCC)基板的射频SiP组件,从其装配过程中经历的回流热冲击对导电胶粘接强度进行测试分析。

02细节距PQFP虚焊与原因分析

1 射频SiP组件装配工艺

1.1 装配过程在非TSV(ThroughSiVias)技术的2.5D/3D微系统封装应用中,球栅阵列封装(BGA)因具有较高的I/O密度、优异的电学特性、良好的可靠性及工艺性,成为一种典型的SiP组件封装形式。尤其在要求电子产品长期稳定可靠工作的场合,基于陶瓷焊球阵列(CBGA)的射频SiP组件对实现整机系统的小型化、多功能化尤为重要。这一类SiP组件的典型装配工艺过程如图1所示,包括基板制备、器件组装、键合连接、盖板密封、底部植球和表面贴装等具体步骤。导电胶主要出现在器件组装阶段,用于较小功率的裸芯片、MEMS器件及其载体的粘接。针对不同尺寸、功能和材料的器件,使用的导电胶也会有所区别。

图1 典型的陶瓷-金属SiP装配工艺

而对于更高维度的2.5D/3D封装,需要在前述组装工艺的基础上,进一步地进行多层封装堆叠(PoP),充分利用Z方向提高封装密度和实现通道拓展(如图2所示)。

图2 封装堆叠(PoP)的SiP射频组件示意图

1.2 SiP组装中的热冲击陶瓷基板制备完成后,SiP在组装阶段孔内经历多次热冲击(见表1)。在金属围框钎焊阶段,如果采用硬钎焊方式,陶瓷体温度就可能升高至800℃以上,对陶瓷材料带来较大的考验,但冲击后的影响可通过陶瓷或围框的变形、裂纹现象对影响程度进行判断。在盖板密封阶段,无论采用激光封焊或平行缝焊方式,焊缝温度高于盖板材料熔点,但热影响区主要集中在围框及盖板,部分热量可能传递至陶瓷基板与围框界面,对SiP组件内部影响相对有限,一般可通过围框变形、焊缝裂纹和密封性检测进行分析。

表1 SiP组件装配阶段热冲击分析

对于CBGA形式的射频SiP组件,底部植球及组件表面贴装阶段的热冲击是容易被忽略的因素。在以上两个阶段中,组件内部采用导电胶粘接结构的温度一般低于回流峰值温度,但也高于导电胶的玻璃化转变温度Tg;根据采用的焊球及焊料成分的不同,Tg以上维持时间可能达到数十秒至数分钟。这种热冲击发生于盖板密封后,对于内部载体、芯片、键合引线的影响难以通过镜检或破坏性试验进行评估,给SiP可靠性带来一定隐患。考虑在陶瓷-金属封装的基础上再进行封装堆叠的情况,以及装配过程中可能出现的返修情况,热冲击的次数和温度将出现更加复杂的变化。

02试验材料与设备

2.1 试验材料

2.1.1 导电胶导电胶是一种广泛应用的微组装材料,在某些场合可以替代焊料实现电气连接的目的,并能提供一定的机械强度。导电胶成分一般由基体、导电填料、固化剂和其他助剂构成,可在特定的条件下固化。导电胶可按组分构成、基体差异、导电方向、固化方式进行分类。在本文中,将采用三种单组分各向同性环氧树脂导电胶进行试验,分析回流热冲击对导电胶粘接强度的影响。各型导电胶的性能参数见表2,对SiP应用而言,重要的性能参数包括玻璃化转变温度、热膨胀系数、热导率、电阻率、抗剪强度和固化条件。这些性能参数与导电胶成分密切相关,对粘接结构的工艺性、工作稳定性、环境适应性具有显著的影响。

2.1.2 试样制备本文采用高温共烧陶瓷制备厚膜电路基板,并采用Ag-Cu钎料将可伐合金围框焊接在器件内埋腔边缘。经历钎焊后,必须检验电路板翘曲度不得超过1.5%。

表2导电胶性能参数对比

对粘接测试面进行清洁后,分别采用三种导电胶,将尺寸1.6mm×1.6mm×0.2mm的钼铜垫片粘接在陶瓷电路表面,粘接过程采用点胶机操作,并确保垫片周边导电胶溢出长度超过垫片周长的80%(如图3所示),点胶工艺参数见表3[3]。垫片粘接目检合格后放入真空干燥箱,在推荐的固化条件下进行充分固化。

图3 SiP试验件及垫片粘接示意图

表3 剪切测试参数设置

2.2 试验方案设计

2.2.1 回流曲线与热冲击循环对于CBGA形式的封装,其底部焊球常采用高铅成分(例如Pb90Sn10)的合金球,焊料也应选择相匹配的Sn-Pb合金。从可靠性角度考虑,采用HTCC基板的SiP组件也可沿用这一合金体系。因此本文在设置回流曲线时,参考Sn63Pb37焊料合金设计回流参数。为确定回流温度对导电胶粘接强度的实际影响,分别在组件外表面焊盘及垫片粘接面设置测温点,采用测温仪测定回流时SiP组件内外的实际温度。测得实际温度与预设曲线指标的对比见表4。组件底部焊盘表面的实际温度参数满足Sn63Pb37焊料合金回流要求,组件内部峰值温度稍低,升降温速率较缓。对于导电胶A,该回流曲线单次热冲击在Tg以上持续时间约为530s;对于导电胶B,在Tg以上持续时间为490s;而导电胶C由于玻璃化转变温度低于室温,固化后在常温下及回流过程中均保持黏弹态。为验证多次回流的影响,在每次回流结束后,将试样冷却至室温后,按照相同温度曲线再次进行回流,并取回流前、第1次、第5次、第10次回流的样品进行测试。

2.2.2 测试方法采用推拉力测试仪,按GJB548B-2005方法2019.2,对垫片进行剪切强度测试以判断导电胶的粘接强度,测试条件见表5,剪切后将分离的导电胶界面在显微镜下观察。

表4 回流曲线预设值与实测值对比

表5 剪切测试参数设置

03试验结果及分析

3.1 剪切强度的变化试验样品的剪切力实测值见表6,结果表明导电胶在经历回流后粘接强度均出现了不同程度的下降。其中在经历10次回流后导电胶A、B、C的粘接强度分别下降了31.49%、13.61%、16.95%。

表6 试样最大剪切力实测值

依照GJB548B-2005方法2019.2,剪切强度的失效判据,当测试样品面积在0.32~4.13mm2范围内时,垫片尺寸(S)与最大剪切力(F)之间的关系应能满足:F>12.14×S-0.14(N),即根据本文所采用的垫片尺寸(2.56mm2),最大剪切力应大于30.94N[4]。经历10次回流的导电胶粘接强度仍然能满足上述要求,但值得注意的是导电胶A的降幅较大,对应用于某些严苛环境条件的SiP产品而言,采用此类型的导电胶在后续应力循环作用下的失效风险较大。最大剪切力随回流次数变化趋势如图4所示。对于导电胶A,粘接强度的最大降幅出现在首次回流,随后粘接强度随回流次数的变化幅度不大。对于导电胶B在经历首次回流后粘接强度也出现了一定的下降,但降幅小于导电胶A,并且随着回流次数增加,粘接强度降幅逐渐趋缓。对于导电胶C,在经历多次回流过程中的粘接强度降幅明显低于导电胶A、B,并且呈现线性变化趋势。

图4 最大剪切力随回流次数变化趋势图

3.2 导电胶剪切破坏界面的变化导电胶A在剪切试验后,在陶瓷基板和垫片表面的残留量如图5所示,样品在经历回流热冲击前,剪切破坏发生时导电胶A主要附着在垫片上。随着回流次数的增加,剪切破坏后导电胶A在垫片上的附着面积逐渐减少,在陶瓷基板表面的附着面积逐渐增多。在经过5次、10次回流热冲击后,导电胶A在垫片上的附着面积无明显差异。

图5 剪切试验后导电胶A残留示意图
导电胶B在剪切试验后,在陶瓷基板和垫片表面的残留量如图6所示,导电胶B在回流前和首次回流后经过剪切破坏,在陶瓷基板和垫片表面附着面积差异较小。在经过5次、10次回流热冲击后,导电胶B在陶瓷基板表面的附着面积有所增加,但垫片表面仍然附着有较大面积的导电胶。

图6剪切试验后导电胶B残留示意图

导电胶C在剪切试验后,在陶瓷基板和垫片表面的残留量如图7所示,其变化规律与导电胶B类似,但经历5次、10次回流热冲击后,导电胶C在陶瓷基板表面的附着面积显著大于垫片表面。

图7 剪切试验后导电胶C残留示意图

综合上述,随着回流次数的增加,剪切破坏发生时,导电胶存在由陶瓷基板表面剥离向垫片表面剥离的倾向,导电胶在垫片表面的残留附着面积随着最大剪切力的下降而减少。

3.3 最大剪切力-时间曲线由于在破坏性剪切试验过程中,剪切速度维持恒定,因此最大剪切力-时间曲线在一定程度上能反应测试过程中最大剪切力与位移的关系。导电胶A、B、C在经历回流前和回流10次后的最大剪切力-时间曲线分别如图8、图9和图10所示,由图可见在经历多次回流热冲击后导电胶的剪切模式与热冲击前一致,即最大剪切力相对于剪切时间呈现线性关系,导电胶的断裂具有典型的脆性断裂特征。而最大剪切力对剪切时间的斜率变化一定程度上也可反映剪切模量的变化规律,在本文制定的回流温度下,经历多次回流后,这种斜率的变化均未超出5%范围。

图8 导电胶A最大剪切力-时间曲线的变化对比

图9 导电胶B最大剪切力-时间曲线的变化对比

图10 导电胶C最大剪切力-时间曲线的变化对比

3.4 小结

回流热冲击降低了射频SiP组件内部导电胶粘接强度,对于回流过程中存在玻璃化转变的导电胶强度的最大降幅出现在初次回流。而对于常温下工作于黏弹态的导电胶,单次回流热冲击后强度降幅较小,并且粘接强度随回流次数出现线性变化。回流热冲击未改变对导电胶剪切断裂的模式,热冲击的影响主要体现在导电胶对垫片的粘接强度下降。04结束语对于本文所选用的射频SiP组件装配材料,回流热冲击在不同程度上降低了三种导电胶的粘接强度,随着回流次数增加,导电胶粘接强度的降幅逐渐趋于稳定。虽然经历10次回流后的导电胶强度仍然高于GJB548B要求,但对于应用环境条件苛刻的射频SiP组件,需要根据工艺路线选择合理的导电胶并严格控制组件装配过程中的回流总次数。