無鉛化挑戰(zhàn)組裝和封裝材料.doc

此文檔收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)，請聯(lián)系網(wǎng)站刪除天馬行空官方博客：/tmxk_docin ；QQ:1318241189；QQ群：175569632無鉛化挑戰(zhàn)組裝和封裝材料用鏤板印刷或電鍍制作的晶圓凸點(diǎn)，顯示了無鉛在倒裝芯片和芯片級(jí)封裝和組裝領(lǐng)域的可行性。無鉛是90年代末期發(fā)自日本的信息，而今已經(jīng)被歐洲聯(lián)盟以嚴(yán)格的法律加以響應(yīng)。鉛的毒性已經(jīng)廣為人知，人們雖然仍在爭論電子元件中的鉛是否真的對(duì)人類和環(huán)境造成威脅，但人們已經(jīng)更為關(guān)注廢棄的電子器件垃圾中鉛的滲透并產(chǎn)生的污染。另外，含鉛器件的再利用過程中有毒物質(zhì)的擴(kuò)散也是一個(gè)關(guān)注的熱點(diǎn)。大多數(shù)可行的替換方案并不是類似于鉛毒性的威脅，而是對(duì)環(huán)境的其它負(fù)面影響，例如，高熔點(diǎn)意味的高能耗。當(dāng)然，使用先進(jìn)的設(shè)備和新的回流焊溫度設(shè)置在某種程度上也許有可能得到高熔點(diǎn)低能耗的效果。另外，如果用含銀的材料來替代鉛錫焊料，會(huì)產(chǎn)生另一個(gè)負(fù)面的對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，那就是需要大量開采和加工貴重的金屬礦石。立法規(guī)定最后期限歷經(jīng)了數(shù)年的磋商和議論之后，現(xiàn)在有25個(gè)歐洲聯(lián)盟成員國，已經(jīng)在執(zhí)行禁止在電子器件中使用鉛的法律。2006年7月1月開始，所有用于歐洲市場的電子產(chǎn)品必須是無鉛的，包括信息和通訊技術(shù)設(shè)備、消費(fèi)類電子、家用電器等等。該項(xiàng)法律也規(guī)定了多項(xiàng)例外。用于服務(wù)器、存儲(chǔ)器、以及特種網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的焊料，到2010前仍然可以含鉛。另外，含鉛量超過85的焊料也不在此項(xiàng)規(guī)定之列。歐洲委員會(huì)還在啟動(dòng)一項(xiàng)針對(duì)更多免責(zé)的評(píng)估，比如用于高端PC處理器的倒裝芯片封裝的互連中的含鉛焊料。大多數(shù)這種互連是將高度含鉛的C4焊球。歐盟關(guān)于鉛等危險(xiǎn)物的限制原則是盡量替換鉛，只有在“技術(shù)上無法替換”時(shí)才可以使用鉛。指令的適用范圍有時(shí)定義得也不太明確。例如，消費(fèi)電子不可以用鉛，而汽車電子可以，那么，汽車內(nèi)的收音機(jī)怎么辦？目前允許汽車收音機(jī)含鉛，但是還有些類似情況仍然有待進(jìn)一步裁決。歐聯(lián)的無鉛法律將影響全球的電子產(chǎn)業(yè)，一來是由于供應(yīng)鏈的全球化，再者也是由于在其它國家已經(jīng)開始有類似的法律。例如，中國已經(jīng)提出了禁止同樣物質(zhì)的類似法律，而且最后期限也設(shè)定為2006年7月1日。為了實(shí)現(xiàn)無鉛化，人們需要對(duì)倒裝芯片封裝、晶圓級(jí)封裝、SMT和波峰焊進(jìn)行廣泛的材料研究和工藝評(píng)價(jià)。我們已經(jīng)著手為板上倒裝芯片和芯片級(jí)封裝技術(shù)研究合適的材料和工藝。鏤板印刷制作凸點(diǎn)在凸點(diǎn)制備工藝（圖1）中，需要給凸點(diǎn)底層金屬（UBM）覆蓋上新的焊材。印刷工藝之后，要在高于焊料熔點(diǎn)20的溫度下進(jìn)行回流，然后再進(jìn)行清洗和凸點(diǎn)檢查。UBM必須與新的焊料相匹配，采用化學(xué)鍍鎳工藝。晶圓加工是在一序列的化學(xué)池中進(jìn)行的，在焊點(diǎn)清洗之后，緊接著進(jìn)行的工藝包括：鋅酸鹽處理，表面活性化處理，鎳（5mm）的淀積，金層的生長。該項(xiàng)工藝為Fraunhofer IZM與柏林技術(shù)大學(xué)合作開發(fā)。采用化學(xué)鍍鎳工藝的UBM穩(wěn)定性好，良率高，已被廣泛使用。焊膏印刷需要使用小間距模板、能適應(yīng)微細(xì)間距要求的焊膏，以及優(yōu)化的印刷參數(shù)。焊膏供應(yīng)商已經(jīng)生產(chǎn)了幾種無鉛焊膏，包括SnAg3.5、SnAgBixx和SnCu0.9。Sn95.5Ag4Cu0.5是共晶鉛焊料的替代品，工藝良率成功通過了與SnPb的對(duì)比測試。滾刷速度、模板剝離和檢查條件將決定產(chǎn)量。使用厚度為80mm的模板，能實(shí)現(xiàn)110mm的凸點(diǎn)高度。使用SnAgCu0.5焊膏時(shí)，熔點(diǎn)溫度由183上升到217，相應(yīng)的回焊爐的溫度設(shè)置也需從205 上升到 235，典型的回流焊環(huán)境是使用氮?dú)猓梢詫⒀趸档阶钚〕潭?。同時(shí)，為了確保良好的工藝控制，必須對(duì)凸點(diǎn)制備中的晶圓實(shí)施自動(dòng)檢測。最新的研究顯示對(duì)凸點(diǎn)實(shí)施非100的測試也能滿足對(duì)凸點(diǎn)質(zhì)量進(jìn)行控制的要求，這樣還能減少檢測時(shí)間。SnAgCu凸點(diǎn)的光學(xué)檢測由于其粗糙表面（與以前的SnPb焊膏的光亮表面相比）的影響實(shí)，施起來不太容易，所以，這一步顯得更加關(guān)鍵，需要更加小心。拋開某些特例，成本核算表明，在FCOB的大批量生產(chǎn)中，用SnAgCu00.5替代SnPb的話，凸點(diǎn)制備工藝的成本可以達(dá)到低于每晶圓50美金。迄今為止，倒裝芯片凸點(diǎn)技術(shù)仍然是技術(shù)的亮點(diǎn)。小間距芯片級(jí)封裝（0.5 mm間距）的出現(xiàn)，使得使用鏤板印刷方法，可能替代固體植球方法?？煽啃詥栴}世界正在邁向無鉛電子時(shí)代，汽車電子也對(duì)高熔點(diǎn)焊料提出了需求，這一切推動(dòng)了產(chǎn)業(yè)對(duì)于新的焊料系統(tǒng)的選擇。對(duì)于新焊料系統(tǒng)，關(guān)鍵之一就是可靠性。SnAgCu與SnPb37相比，二者的疲勞壽命和失效機(jī)制基本相同，實(shí)際應(yīng)用中，受熱歷程和焊點(diǎn)形狀決定疲勞壽命。研究等證明對(duì)于無電鍍鎳UBM ，SnPb37和Sn95.5Ag3.8Cu0.7焊膏具有極佳的剪切性能。而且，底部填充料PCB薄板上的倒裝芯片都需要它來保證可靠性能減少焊點(diǎn)的大部分應(yīng)力，因而也就延長了它的壽命。 倒裝芯片通常要使用兩次回流焊工藝，一次是在晶圓上球點(diǎn)的形成時(shí)，另一次是在組裝的時(shí)候。Ni3Sn4 是無電鍍鎳UBM上的SnPb焊料以及SnAgCu焊料形成的金屬互化物。經(jīng)過兩次回焊，金屬化后，Sn95.5Ag3.8Cu0.7的形態(tài)基本正常而且厚實(shí)。在較高的溫度下倒裝芯片的老化顯得十分關(guān)鍵。150和170時(shí)老化1000個(gè)小時(shí)，SnPb及無鉛合金會(huì)隨著鎳的消耗，轉(zhuǎn)化成小于2mm的 Ni3Sn4 。對(duì)于Sn95.5Ag3.8Cu0.7，其鎳的耗散厚度大約是SnPb的兩倍。同樣的，對(duì)于Sn95.5Ag3.8Cu0.7，在170而不是150時(shí)老化，鎳的厚度消耗會(huì)增加4倍。在150環(huán)境里保存2000小時(shí)后，對(duì)焊接凸點(diǎn)的剪切力測試的結(jié)果表明，Sn95.5 Ag4Cu0.5的剪切力大于SnPb37。而且，對(duì)于Sn95.5Ag4Cu0.5，經(jīng)過高溫高濕（85和85% RH）保存，以及溫度循環(huán)（-40 到 150, 1000 cycles）之后，剪切力測試結(jié)果表明其可靠性比SnPb37稍好。對(duì)-40到125溫度循環(huán)后的倒裝芯片封裝進(jìn)行測試，結(jié)果顯示Sn95.5Ag3.8Cu0.7的效果要好于SnPb37。但是Sn95.5Ag4Cu0.5的可靠性不如常規(guī)的SnPb37（循環(huán)溫度-55到125，及-55到150）。上述兩種情形，填充底料的選擇，熔化物殘留的多少，以及實(shí)際結(jié)合高度將決定哪一種連接方式更好。這表明合金的選擇對(duì)于產(chǎn)品的可靠性僅僅是第二號(hào)的因素。在150的環(huán)境下，現(xiàn)在流行采用含錫焊料。而在更高的溫度環(huán)境下，共晶的金錫（Au80Sn20）焊料或充銀焊料能支持到200。CSP的連接通常不使用任何填充底料，人們希望無鉛焊料的較大的機(jī)械彈力能夠有效提高其器件的壽命。然而，必須注意的是，失效模式可能在厚的金相處由疲勞開裂轉(zhuǎn)為碎裂，或者金屬焊點(diǎn)會(huì)從底材分離，因?yàn)槿彳浀腟nPb的蔓延導(dǎo)致固體凸點(diǎn)中產(chǎn)生的應(yīng)力無法得到釋放，只能通過彈性無鉛焊料傳遞到表面。超細(xì)間距焊膏和無鉛焊料晶圓凸點(diǎn)制備需要的是6型焊膏，它能確保焊膏均勻，因而減小回流焊后凸點(diǎn)高度的改變。與PCB板上傳統(tǒng)的SMT焊錫膏印刷相比，超細(xì)間隙焊膏的細(xì)小焊點(diǎn)，需要焊膏具有更高的粘性，對(duì)印刷性能、以及焊膏與模板的脫離有較大影響。增大的面積和體積比意味著焊料合金的氧化性增大，因而焊膏中氧化物含量較高，所以回流焊工藝需要氮?dú)獗Ｗo(hù)。相同的技術(shù)適用于SnPb37焊膏，也同樣適用于三元或四元小間距焊膏。晶圓凸點(diǎn)的電鍍鏤板印刷的適用間距極限是150-200mm。對(duì)于間距小，凸點(diǎn)尺寸范圍寬的高互連密度的情形，電鍍技術(shù)是首選。Fraunhofer IZM采用了間距小于40mm的電鍍工藝（圖2）。國際半導(dǎo)體技術(shù)藍(lán)圖研討會(huì)（ITRS）預(yù)測，隨著倒裝芯片技術(shù)的發(fā)展，其凸點(diǎn)間距將呈現(xiàn)減小趨勢，對(duì)于高I/O芯片和高能芯片，減小的趨勢是，從2002年的160mm減小到2010年的90mm，2016年更減小到70mm。電鍍時(shí)，凸點(diǎn)高度的均勻性要求在1mm之內(nèi)，這大大超過了鏤板印刷的均勻性指標(biāo)。這是由于模板材料厚度和激光切割的精度變化較大，而且在模板的開口處會(huì)有少量焊膏殘留，其典型的變化范圍在7mm。電鍍的成品率損失在ppm量級(jí)甚至更低。按照失效標(biāo)準(zhǔn)的定義，從凸點(diǎn)高度均勻性的角度來看，電鍍比鏤板印刷的損失要小。因此，對(duì)于高產(chǎn)量，大尺寸IC來說，電鍍是一項(xiàng)低成本技術(shù)，而成品率的損失使得鏤板印刷失去了可比性。電鍍時(shí)UBM要鍍上Ti/W/Cu，它們被均勻?yàn)R射在整個(gè)晶圓表面上，其后進(jìn)行光刻，形成凸點(diǎn)焊點(diǎn)。鍍上的附加層銅，會(huì)被回流焊和金屬化合物熱應(yīng)力部分地消耗掉。焊料金屬是以電化學(xué)的形式基于甲基硫酸的方式進(jìn)行淀積。電鍍加工時(shí)間的長短取決于凸點(diǎn)的高度與焊膏樓板印刷正好相反即電鍍時(shí)間受限于較小凸點(diǎn)的高度。電鍍膜脫膜之后，以刻蝕方法去掉Ti/W/Cu UBM。將晶圓上的淀積焊料回流，形成球形凸點(diǎn)，然后進(jìn)行清洗，去掉有機(jī)殘留物。在Fraunhofer IZM，人們完成了數(shù)種無鉛焊料的電鍍，并進(jìn)行了深入觀察。SnPb焊膏的最佳替代是SnAg（圖3），因?yàn)樗心承┨厥馓匦?。銀的電極勢差較高，因而比起錫來更容易淀積。所以，需要對(duì)銀離子添加超強(qiáng)配位劑以抑制銀的過早淀積。然而，Sn-Pb的二元相圖表明，焊料成分的小的差異并不會(huì)給熔點(diǎn)造成多大影響。而對(duì)于SnAg，影響卻十分明顯。含銀3.5%的共晶中增加一點(diǎn)點(diǎn)銀的話，熔點(diǎn)就會(huì)極大地升高。此外，F(xiàn)raunhofer IZM的研究還表明，對(duì)含銀4時(shí)，大塊狀的Ag3Sn金屬化合物的生長更快，給互連的可靠性帶來嚴(yán)重?fù)p害。對(duì)于共晶SnAg3.5電鍍，電鍍池和合金成分的控制，顯得及其重要。三元合金的電鍍加工更加困難，甚至不予考慮。另一方面，由于UBM的銅電鍍層會(huì)部分溶解于SnAg，因此回流焊凸點(diǎn)總會(huì)包