Simulation des Underfill-Prozesses bei Flip Chip-Anwendungen

156 Pages·2009·6.15 MB·English

Simulation des Underfill-Prozesses bei
Flip Chip-Anwendungen
Von der Fakult(cid:128)t Energie-, Verfahrens-und Biotechnik
der Universit(cid:128)t Stuttgart
zur Erlangung der W(cid:129)rde eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.)
genehmigteAbhandlung
Vorgelegt von
Tanja H(cid:128)u(cid:130)ermann
aus Stuttgart
Hauptberichter: Prof. Dr.-Ing. H.-G. Fritz
Mitberichter: PD Dr.-Ing. habil. S. Sch(cid:129)tz
Tag der m(cid:129)ndlichen Pr(cid:129)fung: 8. September 2008
Institut f(cid:129)r Kunststofftechnikder Universit(cid:128)t Stuttgart
2009

Danksagungen
Diese Arbeit ist durch die Zusammenarbeit der Robert Bosch GmbH und dem
Institut f(cid:129)r Kunststofftechnik der Universit(cid:128)t Stuttgart entstanden.
Ich danke Herrn Prof. Dr.-Ing. Hans-Gerhard Fritz vom Institut f(cid:129)r
Kunststofftechnik der Universit(cid:128)t Stuttgart f(cid:129)r die bereitwillige (cid:131)bernahme der
wissenschaftlichen Betreuung und Bewertung meiner Promotion.
Herrn PD Dr.-Ing. habil. Steffen Sch(cid:129)tz vom Institut f(cid:129)r Mechanische
Verfahrenstechnik der Universit(cid:128)t Stuttgart danke ich f(cid:129)r die (cid:131)bernahme des
Mitberichts, sein gro(cid:130)es Engagement und zahlreiche wertvolle Ratschl(cid:128)ge.
Ich m(cid:132)chte Herrn Dr. Gerhard Liebing von der Robert Bosch GmbH daf(cid:129)r
danken, dass er mir die Durchf(cid:129)hrung dieser Arbeit bei CR/APP4 in Waiblingen
erm(cid:132)glicht hat, wie auch f(cid:129)r sein immer gro(cid:130)es Interesse an meinen
Untersuchungen.
Herrn Ralf Mie(cid:130)ner danke ich f(cid:129)r seine wertvolle fachliche Unterst(cid:129)tzung bei
allen erdenklichen Fragen zur Aufbau- und Verbindungstechnik sowie sein
Vertrauen in meine Arbeit und die mir gew(cid:128)hrten Freir(cid:128)ume.
Ich danke Frau Barbara Holdgr(cid:129)n f(cid:129)r die sehr gute Zusammenarbeit und
zahlreiche fachliche Diskussionen w(cid:128)hrend unserer gemeinsamen Zeit bei
CR/APP und dar(cid:129)ber hinaus.
Herzlich bedanken m(cid:132)chte ich mich auch bei den anderen Teamkollegen, Herrn
Ulrich Schaaf, Herrn Hartmut Rohde, Herrn Klaus Zeh und Herrn Marc Dre(cid:130)ler
f(cid:129)r die immer gro(cid:130)e Hilfsbereitschaft und das nicht zu (cid:129)bertreffende
Arbeitsklima.
Herrn Dr. Patrick Stihler und Frau Elfriede Forkel danke ich f(cid:129)rdieEinf(cid:129)hrung in
die Messung von Grenzfl(cid:128)chenspannungen, Kontaktwinkeln und Viskosit(cid:128)ten.
Auch allen anderen Kollegen von CR/APP herzlichen Dank f(cid:129)r die gute
Zusammenarbeit. Weiterhin danke ich den Kollegen von CR/APJ3 in
Schwieberdingen f(cid:129)r die Hilfe bei der Flip Chip-Montage.
Schlie(cid:130)lich danke ich meinen Freunden und Kollegen und vor allem meiner
Familie und meinem Lebensgef(cid:128)hrten Heiko f(cid:129)r die seelische und moralische
Unterst(cid:129)tzung.
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Inhaltsverzeichnis
Formelzeichen........................................................................................................6
Abk(cid:129)rzungen..........................................................................................................9
Kurzfassung.........................................................................................................10
Summary..............................................................................................................13
1 Einleitung.....................................................................................................16
2 Flip Chip und Underfilling...........................................................................19
2.1 Der Flip Chip-Prozess...........................................................................19
2.2 Zuverl(cid:128)ssigkeit von Flip Chip-Verbindungen.......................................24
2.3 Underfilling...........................................................................................25
2.4 Flie(cid:130)blasen im Underfiller.....................................................................28
3 Physikalische und numerische Grundlagen der Underfill-Simulation.........33
3.1 Grenzfl(cid:128)chenspannung..........................................................................33
3.2 Analytische Betrachtung des kapillaren Flie(cid:130)ens..................................35
3.3 Grundlagen der Str(cid:132)mungssimulation...................................................41
4 Stoffeigenschaften.......................................................................................47
4.1 Reaktivit(cid:128)t.............................................................................................47
4.2 F(cid:129)llstoffe...............................................................................................48
4.3 Viskosit(cid:128)t...............................................................................................48
4.4 Dichte....................................................................................................53
4.5 Grenzfl(cid:128)chenspannung..........................................................................54
4.6 Kontaktwinkel.......................................................................................55
5 Softwareauswahl..........................................................................................57
5.1 Kriterien f(cid:129)r die Vorauswahl.................................................................57
5.2 Testfall 1: Bef(cid:129)llung einer Kavit(cid:128)t (cid:129)ber zwei Einl(cid:128)sse.........................58
5.3 Testfall 2: Kapillares Bef(cid:129)llen eines engen Spaltes...............................60
5.4 Bewertung.............................................................................................63
5.5 Implementierung eigener Unterroutinen................................................63
6 Grundsatzuntersuchungen............................................................................64
6.1 Flie(cid:130)test am Glas-Testvehikel...............................................................64
6.2 Simulation des Flie(cid:130)ens im ebenen Spalt..............................................65
6.3 Innerer Strukturaufbau...........................................................................66
6.4 Partikelmigration...................................................................................69
7 Untersuchung peripher kontaktierter Flip Chips..........................................77
7.1 Einflussgr(cid:132)(cid:130)en im Underfill-Prozess und deren Zusammenh(cid:128)nge........78
7.2 Modellierung.........................................................................................82
-4-
Inhaltsverzeichnis
7.3 Parametervariation periphere Bumps.....................................................98
7.4 Experimentelle Untersuchungen..........................................................104
7.5 Wechselwirkungen...............................................................................112
7.6 Runde L(cid:132)tstopplackaussparungen........................................................119
7.7 Vakuumverguss: Blasenverhalten beim Bel(cid:129)ften.................................120
8 Untersuchung fl(cid:128)chig kontaktierter Flip Chips...........................................124
8.1 Relevante Gr(cid:132)(cid:130)en.................................................................................125
8.2 Modellierung........................................................................................126
8.3 Voruntersuchung: Einfluss der Vias.....................................................126
8.4 Voruntersuchung: Einfluss der L(cid:132)tstopplackaussparungen..................130
8.5 Untersuchungen an fl(cid:128)chig kontaktierten Chips...................................133
9 Zusammenfassung und Ausblick................................................................137
Quellen...............................................................................................................140
Anhang A -Unterroutinen (UDFs).....................................................................147
A.1 Implementierung der UDFs.............................................................147
A.2 UDF Bewegte Dosiernadel..............................................................148
A.3 UDF Viskosit(cid:128)t................................................................................150
A.4 UDF Partikelmigration....................................................................151
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Formelzeichen
Lateinische Symbole
A [m2] Fl(cid:128)che
a [1] Parameter der Carreau-Yasuda-Funktion
a [m] Partikelradius
B [m] Breite
b [m] Zellbreite
c [mol/kg] Konzentration
c [m/s] Schallgeschwindigkeit
D [m] Durchmesser
D Diffusionskoeffizient
D [m2/s] Diffusionskoeffizient(Funktion der Partikelkonzentration)
C
D [m2] Diffusionskoeffizient(Funktion der Scherrate)
S
d [m] Charakteristische Abmessung
d [m] Partikeldurchmesser
P
d [m] Mittlerer Durchmesser
50,0
F [N] Kraftvektor
F [N] Massenkraftim Erdschwerefeld
G
F [1] Korrekturfaktor Flie(cid:130)widerstand
P
F [N] Durch Grenzfl(cid:128)chenspannung induzierte Kraft
(cid:128)
f [1/s] Frequenz
g [m/s2] Erdbeschleunigung
g [m/s2] Vektor der Erdbeschleunigung
H [m] H(cid:132)he
h [J/kg] Spezifische Enthalpie
L [m] L(cid:128)nge
L [m] Einlaufl(cid:128)nge
e
m [kg] Masse
m(cid:128) [kg/s] Einstr(cid:132)mender Massenstrom
ein
n [1] Parameter der Carreau-Yasuda-Funktion
n [1] Partikelanzahl
P
P [m] Pitch
p [bar] Druck
pos [m] Koordinate der Position der bewegten Dosiernadel
Q Quelle
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Formelzeichen
R [m] Radius
S Senke
T [m] Tiefe
t [s] Zeit
T [K] Glas(cid:129)bergangstemperatur
g
V [m3] Volumen
V(cid:128) [m3/s] Volumenstrom
v [m/s] Geschwindigkeit
v [m/s] Geschwindigkeitsvektor
v [m/s] Dosiernadelgeschwindigkeit
D
v [m/s] Einstr(cid:132)mgeschwindigkeit
ein
W [J] Arbeit
Griechische Symbole
(cid:129) [1] Phasenanteil
(cid:130) [1] Formfaktor
(cid:131) Allgemeiner Transportkoeffizient
(cid:128)(cid:128) [1/s] Schergeschwindigkeit
(cid:132) Differenz
(cid:133) [Pas] Viskosit(cid:128)t
(cid:133) [Pas] Nullviskosit(cid:128)t
0
(cid:133) [Pas] Viskosit(cid:128)t bei sehr hohen Schergeschwindigkeiten
(cid:134)
(cid:135) [(cid:133)] Kontaktwinkel
(cid:136) [s] Parameter der Carreau-Yasuda-Funktion
(cid:136) [W/(Km)] W(cid:128)rmeleitf(cid:128)higkeit
(cid:136) [m] Wellenl(cid:128)nge
(cid:137) [kg/m3] Dichte
(cid:128) [N/m] Grenzfl(cid:128)chenspannung
(cid:138) [s] Periodendauer
(cid:138) [N/m2] Spannungstensor
(cid:139) Allgemeine Bilanzgr(cid:132)(cid:130)e
(cid:139) [1] Partikelkonzentration
(cid:139) [1] Maximale Partikelkonzentration
m
(cid:140) [1/s] Winkelgeschwindigkeit
-7-
Formelzeichen
Indizes oben
T Transponiert
Indizes unten
Bump Bump
c Komponente c
D Dosiernadel
LB Leiterbahn
LG Fl(cid:129)ssig-Gasf(cid:132)rmig
Lot Lot
LSL-Graben L(cid:132)tstopplackgraben
leer Leer
m Masse
max Maximal
min Minimal
mod Modifiziert
n Bei konstanterStoffmenge
Pass Passivierungs(cid:132)ffnung
p Bei konstantemDruck
Quelle Quelle
q Phase q
rev Reversibel
SG Fest-Gasf(cid:132)rmig
SL Fest-Fl(cid:129)ssig
Spalt Spalt
T Bei konstanterTemperatur
x x-Komponente / in x-Richtung
y y-Komponente / in y-Richtung
z z-Komponente / in z-Richtung
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Abk(cid:128)rzungen
BGA Ball Grid Array
C4 Controlled Collapse Chip Connection
CFD Computational Fluid Dynamics
CSP Chip Scale Package
CSR Controlled Strain Rate
CSS Controlled Shear Stress
DCA Direct Chip Attach
DNP Distance to Neutral Point
DSC Differential Scanning Calorimetry
EAS Equi Angle Skew
FCIP Flip Chip in Package
FCOB Flip Chip on Board
FEM Finite Elemente Methode
FMR Flussmittelr(cid:129)ckst(cid:128)nde
FR4 Organisches Leiterplattensubstrat (Flame RetardantTyp 4)
FR5 Organisches Leiterplattensubstrat (Hoch-T -FR4)
g
FVM Finite Volumen Methode
I/O Input/Output
IC Integrated Circuit
IR Infrarot
LSL L(cid:132)tstopplack
MAC Marker and Cell
SAM Scanning Acoustic Microscope
UBM Under Bump Metallisierung
UDF User-Defined Function
UDS User-Defined Scalar
UF Underfiller
Via Vertical Interconnect Access
VOF Volume of Fluid
-9-
Kurzfassung
Flip Chips sind elektronische Bauteile, zumeist Halbleiterbauelemente, die im
Gegensatz zu drahtkontaktierten Chips (cid:129)ber leitf(cid:128)hige H(cid:132)cker, so genannte
Bumps, mit der aktiven Seite nach unten (engl.: flipped) direkt auf dem Tr(cid:128)ger
kontaktiert werden. Der Vorteil der FlipChip-Technologie gegen(cid:129)ber anderen
Verfahren der Aufbau- und Verbindungstechnik liegt in ihrer h(cid:132)heren Ver-
bindungsdichte, wodurch geringere Packungsgr(cid:132)(cid:130)en realisiert werden k(cid:132)nnen,
sowie in der h(cid:132)heren elektrischen Performance und gr(cid:132)(cid:130)eren Schaltungs-
geschwindigkeit der elektronischen Aufbauten. Da bei Flip Chip-Aufbauten alle
Kontaktstellen simultan hergestellt werden, wird vor allem bei komplexen
Aufbauten die Bearbeitungszeit gegen(cid:129)ber seriellen Verbindungstechniken
signifikant verk(cid:129)rzt.
Am h(cid:128)ufigsten in der Flip Chip-Technik werden die Chips mit Hilfe von
Lotbumps mit organischen Substraten verbunden. In einem ersten Schritt wird
Lotpaste auf den Anschlussmetallisierungendes Siliziumwafersaufgetragen. Der
Wafer wird erhitzt und die Bumps werden aus der geschmolzenen Lotpaste
gebildet. Anschlie(cid:130)end wird der Wafer in separate Chips zers(cid:128)gt. Die Chips
werden mit den Lotbumps partiell in Flussmittel eingetaucht und auf dem
Substrat platziert. Anschlie(cid:130)end wird die komplette Baugruppe in einem
Umschmelzofen erhitzt, wodurch die elektrischen und mechanischen
Verbindungen hergestellt werden. In einem letzten Schritt wird der Spalt
zwischen Chip und Substrat komplett mit einem nicht leitf(cid:128)higen Klebstoff, dem
so genannten Underfiller, aufgef(cid:129)llt. Der fl(cid:129)ssige Underfiller wird entlang einer
oder mehrerer Chipkanten appliziert, durch Kapillarwirkung in den Spalt gezogen
und anschlie(cid:130)end ausgeh(cid:128)rtet. Die Hauptaufgabe des Underfiller ist es,
mechanische Spannungen zu reduzieren, die bei Temperaturbelastung aufgrund
der unterschiedlichen W(cid:128)rmeausdehnungskoeffizienten von FlipChip und
organischem Substrat in den Lotbumps verursacht wird. Daher ist die
Chipunterf(cid:129)llung entscheidend f(cid:129)r die Zuverl(cid:128)ssigkeit des Verbunds. Blasen
k(cid:132)nnen w(cid:128)hrend des Flie(cid:130)vorgangs eingeschlossen werden und sich negativ auf
die Zuverl(cid:128)ssigkeit der Lotstellen auswirken.
In dieser Arbeit wird die Entstehung von Flie(cid:130)blasen mit Hilfe von Str(cid:132)mungs-
simulationen und Experimenten untersucht. Dazu m(cid:129)ssen Methoden zur
Modellierung des Underfill-Prozesses und des Flie(cid:130)verhaltens des Underfillers
entwickelt werden. Das Ziel dieser Arbeit ist es, die Mechanismen zu verstehen,
die zur Bildung von Flie(cid:130)blasen f(cid:129)hren, und die Parameter zu identifizieren,
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