COB封装中芯片在基板不同位置的残余应力[1]

　　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 =135OC，低温热膨胀系数α1 ( < θg)= 28 X 10 - 6 / ℃，高温热膨胀系数α2 ( > θg)= 90 X 10 - 6 / ℃，弹性模量E = 9Gpa，粘合强度为145 Mpa，固化制度为150OC X 60 min。实验中采用的FR4 材料的热膨胀系数为16 X 10 - 6 /℃，Si 为3. 2 X 10 - 6 / ℃。