Simulation des Underfill-Prozesses bei Flip Chip-Anwendungen

Abstract

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.

Flip Chips are electronic components which are connected to the carrier with their active side facing down, hence flipped. In flip chip packaging the chips are most commonly connected to organic substrates by means of solder bumps. After soldering any remaining gap between chip and substrate is completely filled with a non-conductive encapsulant, the so-called underfill. This liquid underfill is dispensed along one or several edges of the chip and is drawn into the gap between chip and substrate by means of capillary action and cured afterwards. The principal task of the underfill is to reduce the high stresses induced on the solder bumps due to thermal expansion differences between the chip and organic substrate during thermal cycling. Therefore the underfill is crucial for the reliability of the package. Voids can occur during underfill flow due to trapped air, causing negative effects for the solder joint reliability. In this thesis the formation of voids during underfill flow has been investigated by means of numerical fluid flow simulation and experimental studies. Therefore numerical methods for modeling the underfill process and the underfill material flow behavior had to be developed. The aim of this work was to understand the mechanisms and to identify the parameters which influence void formation. Thus, in future applications the design of flip chip, substrate, and underfill process can be optimized with regard to underfill quality. In present applications these process parameters can also be optimized for existing package geometries. The employed underfill system consists of a single-component anhydride curing epoxy matrix filled with a relatively low content of spherical silicone oxide filler particles. The viscosity of the liquid underfill was measured using a cone-plate rotational rheometer. The shear-rate dependent viscosity was described by a Carreau-Yasuda approximation, assuming a homogenous filler particle distribution in the epoxy matrix. To describe the wetting behavior of the package the surface tension of liquid underfill was measured, as well as the contact angle of the liquid underfill on all relevant surface materials. For the simulation of capillary flow the software package Fluent has been selected. In a first step the flow length versus flow time of the liquid underfill in a simple parallel plates test vehicle was investigated by simulation and experiment. The numerical results are in good agreement with the experimental results. Thus the employed methods for modelling the underfill material flow behaviour are suitable for the following investigations. Experiments using bumped glass dies showed the development of filler particle structures under certain flow conditions. But as these structures appear only at very slow flow velocities and are broken up in accelerating flows this phenomenon is not relevant under flow conditions which lead to voids. An influence of particle migration as described in literature could be demonstrably neglected for the employed underfill system because of the relatively low filler particle content. For the simulation of the real underfill process the movement of the dispensing needle has been modelled by means of a user-defined function. In a parametric study the influence of material, geometry, and process parameters on void formation in flip chip underfilling in peripheral bumped flip chip packages was investigated by means of numerical simulations. Factors that promoted the formation of voids were a thick solder mask, low stand-off height, large distance between bumps on the chip edge, and the starting point of the dispensing needle movement being situated close to the corner of the chip. The simulations were confirmed by the experimental results. It could also be shown that the interaction of the starting point of the dispensing needle and the chip stand-off as well as the interaction of the starting point of the dispensing needle and the distance between bumps and chip edge had a significant effect on the void formation. Via simulation it was demonstrated that by replacing the continuous solder mask trench by separate round solder mask openings around each bump the risk of void formation can be reduced. Also the influence of geometry parameters on void formation in area array flip chip packages was investigated. The risk of void formation at throughplatings increases with decreasing stand-off and increasing throughplating depth. At solder mask openings the risk of void formation increases with decreasing stand-off and increasing depth as well as increasing width of the solder mask opening.