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Open Access
Simulation des Underfill-Prozesses bei Flip Chip-Anwendungen
(2009) Häußermann, Tanja; Fritz, Hans-Gerhard (Prof. Dr.-Ing.)
Flip Chips sind elektronische Bauteile, die über leitfähige Höcker, so genannte Bumps, mit der aktiven Seite nach unten direkt auf dem Träger kontaktiert werden. Am häufigsten werden die Chips mit Hilfe von Lotbumps mit organischen Substraten verbunden. Nach dem Löten wird der Spalt zwischen Chip und Substrat komplett mit einem nicht leitfähigen Klebstoff, dem so genannten Underfiller, aufgefüllt. Der flüssige Underfiller wird entlang einer oder mehrerer Chipkanten appliziert, durch Kapillarwirkung in den Spalt gezogen und anschließend ausgehärtet. Die Hauptaufgabe des Underfiller ist es, mechanische Spannungen zu reduzieren, die bei Temperaturbelastung aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Flip Chip und organischem Substrat in den Lotbumps entstehen. Daher ist die Chipunterfüllung entscheidend für die Zuverlässigkeit des Verbunds. Blasen im Underfiller können sich negativ auf die Zuverlässigkeit der Lotstellen auswirken. In dieser Arbeit wurde mit Hilfe von Strömungssimulationen und Experimenten die Entstehung von Fließblasen beim Unterfüllen von Flip Chips untersucht. Es wurden Methoden zur Modellierung des Underfill-Prozesses und des Fließverhaltens des Underfillers entwickelt. Das Ziel der Arbeit war es, die Mechanismen zu verstehen, die zur Bildung von Fließblasen führen, und die Parameter zu identifizieren, welche die Blasenbildung beeinflussen. Dadurch können in zukünftigen Flip Chip-Anwendungen die Geometrien von Flip Chip und Substrat sowie die Prozessführung im Hinblick auf die Underfill-Qualität optimiert werden. In bereits bestehenden Anwendungen können die Prozessparameter für die gegebenen Baugruppengeometrien optimiert werden. Der verwendete Underfiller besteht aus einem anhydridhärtenden Einkomponenten-Epoxdidharz, gefüllt mit einem relativ geringen Anteil von SiO2-Füllstoffpartikeln. Die Viskosität des flüssigen Underfillers wurde mit einem Kegel-Platte-Rotationsrheometer gemessen. Die Abhängigkeit der Viskosität von der Schergeschwindigkeit wurde unter der Annahme einer homogenen Füllstoffverteilung im Underfiller mittels einer Carreau-Yasuda-Approximation beschrieben. Zur Beschreibung des Benetzungsverhaltens wurden die Grenzflächenspannung sowie die Kontaktwinkel des Underfillers auf allen im Verbund relevanten Oberflächenmaterialien ermittelt. Zur Simulation des kapillaren Fließens wurde das Programm Fluent ausgewählt. In einem ersten Schritt wurde in Simulation und Experiment die Fließlänge über der Fließzeit des Underfillers in einem einfachen ebenen Spalt ermittelt. Die in der Simulation ermittelten Werte geben die experimentellen Ergebnisse gut wieder. Somit sind die verwendeten Modellierungsansätze für die nachfolgenden Untersuchungen grundsätzlich geeignet. In Experimenten wurde bei bestimmten Strömungsverhältnissen ein Aufbau innerer Strukturen zwischen den Füllstoffpartikeln beobachtet. Da diese Strukturen aber nur bei sehr niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten auftreten und bei Beschleunigung der Strömung wieder aufbrechen ist dieses Phänomen für Strömungszustände, in denen Fließblasen entstehen, nicht relevant. Ein Einfluss der Partikelmigration, wie er in der Literatur beschrieben wird, konnte bei dem verwendeten Underfiller wegen seines relativ geringen Füllstoffgehalts nachweislich vernachlässigt werden. Bei der Simulation des Underfill-Prozesses wurde die bewegte Dosiernadel in der Simulation mit Hilfe einer benutzerdefinierten Unterroutine modelliert. In einer Parameterstudie auf der Basis von CFD-Ergebnissen wurde der Einfluss von Material-, Geometrie- und Prozessparametern auf die Entstehung von Fließblasen bei peripher kontaktierten Flip Chips untersucht. Als blasenfördernd erwiesen sich ein tiefer Lötstopplackgraben, eine geringe Spalthöhe, ein großer Abstand der Bumps von der Chipkante sowie ein nahe der Chipecke liegender Startpunkt der Dosiernadelbewegung. Die Simulationsergebnisse wurden durch experimentelle Ergebnisse bestätigt. Außerdem konnte gezeigt werden, dass die Wechselwirkung zwischen Nadelstartpunkt und Spalthöhe sowie die Wechselwirkung zwischen Nadelstartpunkt und Abstand von Bump zu Chipkante einen signifikanten Einfluss auf die Entstehung von Fließblasen haben. Mit Hilfe der Simulation konnte nachgewiesen werden, dass durch den Ersatz des durchgängigen Lötstopplackgrabens durch einzelne runde Lötstopplackaussparungen das Risiko des Blaseneinschlusses verringert werden kann. Auch für flächig kontaktierte Flip Chips wurde der Einfluss verschiedener Geometriekonfigurationen auf die Blasenbildung untersucht. An Durchkontaktierungen oder Micro-Vias steigt das Risiko der Blasenentstehung mit abnehmender Spalthöhe und zunehmender Tiefe der mit Lötstopplack abgedeckten Durchkontaktierung. An den Lötstopplackaussparungen steigt das Risiko der Blasenentstehung mit abnehmender Spalthöhe und zunehmender Tiefe der Aussparung sowie bei zunehmender Breite der Lötstopplackaussparungen.