Effects of Open-Time and Jetting Pressure towards the Dispensed Adhesive Weight for Advanced Semiconductor Packaging

Resumen Técnico: Efectos del Tiempo de Apertura y la Presión de Inyección sobre el Peso del Adhesivo Dispensado para el Empaquetado Avanzado de Semiconductores

Planteamiento del Problema
A medida que los componentes semiconductores disminuyen en tamaño y aumentan en complejidad, la confiabilidad del empaquetado avanzado de semiconductores depende cada vez más de la precisión y consistencia de la dispensación de adhesivos. Una dispensación inexacta puede provocar fallas estructurales, problemas de resistencia térmica e inconsistencias eléctricas. Dos parámetros críticos que gobiernan este proceso son el tiempo de apertura (la duración que la válvula permanece abierta) y la presión de inyección. Las variaciones en estos parámetros pueden causar una cobertura de material desigual, formación de vacíos, esparcimiento excesivo o un enlace débil, lo que finalmente reduce el rendimiento de fabricación y la confiabilidad a largo plazo del dispositivo. Aunque los sistemas de dispensación de tiempo-presión se utilizan ampliamente, a menudo sufren de inconsistencias en el peso del adhesivo, la rugosidad superficial y la adhesión. Investigaciones previas han explorado la amplificación piezoeléctrica y los parámetros de la aguja, pero los efectos específicos, aislados y combinados del tiempo de apertura y la presión de inyección sobre el rendimiento del peso del adhesivo en contextos de empaquetado de alta densidad no han sido caracterizados completamente.

Metodología
Este estudio empleó un Diseño de Experimentos (DOE) factorial de dos niveles para analizar sistemáticamente la influencia del tiempo de apertura y la presión de inyección en puntos de adhesivo de silicona de densidad media.

• Rango Experimental: El tiempo de apertura se varió entre 0.2 ms y 3.0 ms, mientras que la presión de inyección osciló entre 0.10 MPa y 0.25 MPa.
• Configuración: Se utilizó un sistema de inyección piezoeléctrico con tapón, tamaño de boquilla y altura de inyección fijos. Se utilizó un adhesivo de silicona de dos componentes, desgasificado y preparado según las especificaciones del fabricante.
• Recolección de Datos: Para cada combinación de parámetros, se dispensaron 200 puntos de adhesivo.
  • Medición de Peso: El peso promedio del punto se midió utilizando una escala interna integrada. Los volúmenes individuales de los puntos se midieron mediante perfilado de superficie CyberScan y se convirtieron a peso utilizando la densidad del adhesivo.
  • Análisis de Superficie: Se utilizó la Microscopía de Fuerza Atómica (AFM) para evaluar la morfología de la superficie y la rugosidad RMS (Root Mean Square).
  • Pruebas Mecánicas: Se realizaron Pruebas de Cizallamiento de Puntos (DST) utilizando una punta de cizallamiento de 1 mm para medir la fuerza de unión mecánica de los puntos curados.
• Análisis Estadístico: Los datos se analizaron mediante Análisis de Varianza (ANOVA), diagramas de Pareto para efectos estandarizados, gráficos de efectos principales, gráficos de interacción y modelado de regresión. Se utilizó un optimizador de respuesta para identificar la configuración de parámetros ideal para un peso objetivo.

Resultados Clave

1. Influencia de los Parámetros: Se encontró que tanto el tiempo de apertura como la presión de inyección fueron estadísticamente significativos (p < 0.05) en la determinación del peso promedio del punto de adhesivo.
   • El tiempo de apertura surgió como el factor más influyente, mostrando una tendencia lineal positiva más pronunciada. Los tiempos de apertura más largos permitieron que fluyera más adhesivo, aumentando directamente el peso del punto.
   • La presión de inyección también mostró una relación lineal positiva con el peso del punto, aunque su tamaño de efecto fue menor que el del tiempo de apertura.
2. Interacción y Linealidad: La interacción entre el tiempo de apertura y la presión de inyección no fue estadísticamente significativa (p > 0.05), lo que indica que los dos factores operan de forma independiente. Además, la ausencia de curvatura significativa (p-valor del punto central = 0.304) confirmó una relación lineal entre los parámetros de entrada y la variable de respuesta a través del rango probado.
3. Consistencia y Predicción: El análisis de regresión arrojó un valor de R² de 98.5%, demostrando una fuerte correlación lineal entre los pesos de los puntos individuales (medidos vía CyberScan) y los pesos promedio de los puntos (medidos gravimétricamente). Esto confirma una alta consistencia punto a punto.
4. Morfología de la Superficie: El análisis AFM reveló un vínculo lineal entre el peso del punto y la rugosidad superficial (RMS variando de 3.84 nm a 4.43 nm). Tanto el aumento del tiempo de apertura como el aumento de la presión contribuyeron a una rugosidad superficial ligeramente mayor, probablemente debido a una mejor humectación y una interacción más fuerte con el sustrato.
5. Resistencia Mecánica: Las Pruebas de Cizallamiento de Puntos indicaron una correlación positiva entre el peso del punto y la resistencia al cizallamiento. La fuerza de cizallamiento más alta registrada fue de 52.56 gF con un peso de punto de aproximadamente 15.1 µg. Sin embargo, el estudio identificó 11 µg como el objetivo óptimo, ofreciendo un equilibrio donde se logra una unión fuerte (47–48 gF) sin los riesgos de desbordamiento o uso excesivo de material asociados con puntos más pesados.

Optimización y Conclusión
Utilizando un optimizador de respuesta, el estudio identificó 1.6 ms de tiempo de apertura y 0.13 MPa de presión de inyección como las configuraciones ideales para alcanzar el peso de adhesivo objetivo de 11 µg. Esta configuración alcanzó un índice de deseabilidad de 1.000, lo que significa una alineación perfecta con la especificación objetivo.

Significancia
El artículo afirma proporcionar un marco validado para optimizar la inyección de adhesivos en el empaquetado de semiconductores de alta densidad. Sus contribuciones primarias incluyen:

• Establecer que el tiempo de apertura es el factor dominante en el control del peso del adhesivo, mientras que la presión de inyección sirve como una variable de control secundaria pero esencial.
• Demostrar que estos parámetros pueden ajustarse de forma independiente debido a la falta de efectos de interacción significativos, simplificando el control del proceso.
• Validar que un peso objetivo de 11 µg ofrece el mejor compromiso entre la confiabilidad mecánica (resistencia al cizallamiento) y la eficiencia de fabricación (minimizando el desperdicio o desbordamiento).
• Proporcionar una metodología robusta y estadísticamente sólida (DOE, ANOVA, Regresión) que puede aplicarse a diversas plataformas de empaquetado avanzado, incluyendo optoelectrónica e integración 2.5D/3D, para mejorar el rendimiento y la repetibilidad del proceso.