柔性电路板上倒装芯片组装技术解析

　　由思想来控制机器的能力是人们长久以来的梦想;尤其是为了瘫痪的那些人。近年来，工艺的进步加速了人脑机器界面( BMI )的进展。针对生物医学的应用，杜克大学的研究者已经成功地利用神经探针开发出讯号处理的ASIC，以及无线传输动力与信息的电子电路系统。再下一步，就是开发组件的封装技术。 然而，这些组件将如何相互联接呢?

　　尺寸和可靠性对生物医学用的植入物而言，是最重要的两个要素。 微电子业的两个封装技术(倒装芯片接合和柔性载板)正好适用于这个应用。倒装芯片接合技术已经发展30多年了。此一技术的优点是体积小、接线密度高，而且因为引脚短而电性得以改善4。倒装芯片接合技术的另一个优势，是能够将多个不同尺寸的芯片封装在同一片载板上，构成多芯片模块。这种封装方式能免除又大又不可靠的连接器。

　　此外，由聚亚酰胺(polyimide)做成的柔性载板能够弯曲和折迭，可以充分利用空间做成体积小的组件。但因为聚亚酰胺材料仅适用于低温接合技术(制程温度低于摄氏200度)，所以必须使用热硬化黏胶，而非焊锡来提供机械性和电性的联结。在这个研究中，我们使用低成本的柱形金凸块技术，而非其它类似应用中所采用的锡铅凸块技术。

　　为了发展适用于生物医学应用的制程，我们设计并以聚亚酰胺为基材制造测试芯片。这些测试芯片在打上柱形金凸块后，被用来验证制程。我们分别测试了导电和绝缘的热硬化黏胶，并在做过温度循环测试后，测量接触电阻以评量产品的可靠性。

　　接合技术

　　我们希望能够使用柱形金凸块技术和热硬化黏胶，发展一个可靠的制程，将切割后的芯片接合在柔性载板上。在这个研究中，我们测试了两个接合的方法;第一个方法使用绝缘的热硬化黏胶、第二个方法使用导电黏胶和绝缘的底部填充胶。每一个测试组件都由测试电路载板和仿真芯片所组成。管脚阵列封装的载板也被设计在同一片聚亚酰胺载板上，以便于未来用于测试神经讯号放大器芯片。

　　仿真芯片的制备：为了使软性的仿真芯片能像硅芯片一样硬，我们得在这个软性的仿真芯片背部加上一个加强性构件。可是由载板制造商提供的加强性构件太软了，所以我们用一小块1毫米厚的显微镜用的载玻片取代制造商所提供的加强性构件。柱形金凸块：测试中所使用的仿真芯片和芯片的柱形金凸块都是用手动金球焊线机(Kulicke & Soffa抯 4524AD)做出来的。

　　绝缘的热硬化黏胶接合：在绝缘的热硬化黏胶接合方法中，长了柱形金凸块的芯片和载板用绝缘的热硬化黏胶接合。芯片和载板的对准和接合是用倒装芯片接合机(SUSS Microtec抯 FC150)。接合的步骤如下:

　　1.将长了柱形金凸块的芯片和载板装载到倒装芯片接合机。

　　2.芯片和载板由倒装芯片接合机对准。

　　3.将绝缘的热硬化黏胶涂布在载板上。

　　4.依表2与图3的条件将芯片与载板接合。

　　5.黏胶在接合的压力下被热硬化， 然后在释压前冷却下来。

　　导电黏胶的接合技术

　　在导电黏胶的接合方法中， 先将长好柱形金凸块的芯片放入银胶的薄层。 再把这个沾了银胶的芯片用绝缘的热硬化黏胶与载板接合。芯片和载板的对准和接合也是使用倒装芯片接合机。接合的步骤如下：

　　1. 将长了柱形金凸块的芯片装载到倒装芯片接合机。

　　2. 将载玻片放在放载板的吸盘上。

　　3. 将薄薄的一层导电银胶在涂布在载玻片上。 注意: 将导电银胶稀释10%以达成较好的沾胶效果。

　　4. 用倒装芯片接合机将导电银胶延展成30 微米厚。

　　5. 将长了柱形金凸块的芯片压入30 微米厚的导电银胶层。

　　6. 取走载玻片，然后放入载板。

　　7. 在载板上涂布绝缘的热硬化黏胶。

　　8. 将芯片与载板对准，然后透过黏胶与载板接合。

　　9. 黏胶在接合的压力被热硬化， 然后在释压前冷却下来。

　　温度循环测试：温度循环测试经常被用来验证接合点的可靠度。在温度循环测试期间，每30秒就记录一次温度和仿真芯片上一对凸块间的电阻。

　　温度循环测试的温度变化条件设定如下:

　　1. 保持在摄氏85度，10 分钟。

　　2. 以最快的速度降温到摄氏零下10度 。

　　3. 保持在摄氏零下10度，10 分钟。

　　4. 以最快的速度升温到摄氏85度。

　　5. 重复这个温度变化周期 。

　　将仿真芯片从聚亚酰胺基材上切割下来，黏合载玻片以加强软性仿真芯片的结构强度，打上柱形金凸块，然后以前述的两种方法(绝缘的热硬化黏胶接合技术、导电的热硬化黏胶接合技术)将仿真芯片与柔性载板接合起来。由于这个做在聚亚酰胺基材上的仿真芯片是半透明的，我们能够以目检检视接合的界面。柱形金凸块看起来是很平均的被压缩，这表示平面度控制得很好。对准的精确度控制在 3 微米之内。可以看到在黏胶层之内有一些空气气泡，但是，这些空气气泡看来并不会影响效能。

　　使用柱形金凸块和黏胶的接合技术有几个优点。首先，这个方法适用于已切割的芯片。 实际上，使用软性的仿真芯片作为测试组件，是一个发展接合技术的较廉价且实际的方法。而半透明的测试组件更是使用聚亚酰胺做为基材时所未预料到好处。 由于测试组件是半透明的，我们可以轻易的使用光学微镜来检查接合的质量。使用绝缘的热硬化黏胶接合技术，制程步骤较为简单，并且不需要清洗步骤与额外的底部填充胶。在导电黏胶的接合方法中有几个步骤需要非常小心的控制，尤其是涂布银胶与沾胶。此外，为了机械强度的考虑，需要增加涂底部填充胶的步骤。这两个方法的共通缺点就是黏胶固化时间(10分钟)太长;就研究而言，这是可接受的。然而，就量产而言，一种固化时间更短的黏胶是有必要的。我们相信黏胶和底部填充胶被固化时，能将芯片和载板拉紧，因而强化了接合的质量。在温度循环测试中， 绝缘的热硬化黏胶接合技术的平均电阻，符合我们的预期;这个结果也和其它单位的结果相当。使用绝缘的热硬化黏胶接合技术，在柔性载板做倒装芯片接合所制备的组件与商业化生产的陶瓷管脚阵列封装组件，在电性上的表现是一致的。 此外， 此一技术还有体积小与能适用于不同形状的优势 。

　　为了以倒装芯片封装将神经讯号放大器的ASICS芯片接合上柔性载板，我们开发并评估了两种接合方法，并用制造于聚亚酰胺基材上的仿真芯片做制程的开发与测试。基于制程简单与可靠性佳的考虑，我们选用绝缘的热硬化黏胶接合技术与柱形金凸块技术。我们也用这个方法将神经讯号放大器的ASICS芯片接合上管脚阵列封装载板。第一个试做就产出了一个 100% 功能良好的产品。

　　刚性印制电路板和柔性印制电路板设计考虑区别

　　刚性印制电路板的大部分设计要素已经被应用在柔性印制电路板的设计中了。然而，还有另外一些新的要素需要引起注意。

　　1.导线的载流能力

　　因为柔性印制电路板散热能力差(与刚性印制电路板相比而言) ，所以必须提供足够的导线宽度。图12-8 中给出了电流在1A 以上时，选择导线宽度的原则。一些承载大电流的导线彼此面对面或邻近放置时，考虑到热量集中的问题，必须给出额外的导线宽度或间距。

　　2. 形状

　　无论何处，在有可能的情况下应首选矩形，因为这样可以较好的节省基材。在接近边缘处应该留有足够的自由边距，这要根据基材可能的剩余空间而定。

　　在形状上，内角看起来应该是圆形的;尖形的内角可能引起板的撕裂。

　　较小的导线宽度和间距应该尽可能最小化。如果几何空间允许，排列紧密的细导线应该变为宽导线。在镀通孔或元器件安装孔处终止的导线应该平滑地过搜到焊盘中，如图12-9 所示。作为一个通用标准，任何从直线到象角或不同线宽的变化，必须尽可能的平滑过渡。尖角会使应力自然集中，引起导线故障。

　　3. 柔度

　　作为一个通用标准，弯曲半径应该设计得尽可能大。使用较薄的层压板(例如:用50μm 铜箔代替125μm 铜箔)和较宽的导线，可以更好地提高其承受更多循环弯曲的可能性。对于大量的弯曲循环，单面柔性印制电路板通常显示了更好的性能。

　　4. 焊盘

　　在焊盘的周围，有一个从柔性材料到刚性材料的变化。这个区域更容易使导体破损。因此，焊盘应避免出现在容易产生弯曲的区域。焊盘的一般形状应该是像泪滴状(见图12-10) ，覆膜必须能遮住焊盘的接合缝。

　　5. 刚性增强板

　　在小型电子设备(如小型计算器)的批量生产中，结合有胶着刚性层压增强板的柔性印制电路板已经变得很受欢迎了，而且其在成本上也更为优化。

       柔性印制电路板被装备在一片有合适槽位的刚性板(例如grade G-10) 上，以方便以后分离，如图12-11 所示。元器件组装和波峰焊接之后，通过裁切把刚性板分成不同的部分，以便于折叠成想要的形状。

　　上述特别的要求表明设计柔性板仅有少数的几步，远比设计刚性板少。然而，其重要的设计差别必须记住:

　　1 )柔性印制电路的三维空间很重要，因为弯曲和柔性的应用可以节省空间并减少板层。

　　2) 与刚性板相比，柔性板对公差的要求较低，允许更大的公差范围。

　　3) 因为两翼可以弯曲，它们被设计的比要求的稍微长一些。

　　为了使电路成本达到最小，以下的设计技巧应当被考虑:

　　1 )总是要考虑电路怎样被装配在面板上。

　　2) 电路要小巧，应考虑使用一系列小电路代替一个大电路。

　　3) 无论何时都要遵循建议的使用公差。

　　4) 仅在必需的地方设计元粘接的区域。

　　5) 如果电路仅有少数几层，则使用增强板可比刚柔性印制电路便宜得多。

　　6) 在每oz 的覆铜材料(包括电镀铜)上，指定使用0.0001 in 的粘结剂。

　　7) 制造无遮蔽焊盘且没有覆盖层的电路，有时会更便宜些。