芯片級無鉛CSP器件的底部填充材料(1)

1、芯片級無鉛CSP器件的底部填充材料概述：晶片級器件底部填充作為一種新工藝仍需進一步提高及優(yōu)化，其工藝為：在晶片級器件制作過程中，晶圓底部加填充材料，這種填充材料在芯片成型時一步到位，免掉了外封裝工藝，這種封裝體積小，工藝簡單，可謂經(jīng)濟實惠。然而，該新型封裝器件面臨一個嚴峻的考驗，即：用于無鉛焊接工藝。這就意味著：即要保證器件底部填充材料與無鉛焊料的兼容，又要滿足無鉛高溫焊接要求，保證焊接點的可靠性及生產(chǎn)產(chǎn)量。近期為無鉛CSP底部填充研發(fā)了幾種新型材料，這些填充材料滴涂到晶圓上，呈透明膠狀（半液態(tài)）物質(zhì)，經(jīng)烘烤，呈透明狀固態(tài)物質(zhì)，這樣分割晶圓時可保證晶片外形的完整性，不會出現(xiàn)晶片分層或脆裂。在這

2、篇文章中，我們探討一下烘烤對晶圓翹曲度的影響？烘烤是否引發(fā)底部填充材料的脆裂？以及回流過程中底部填充物的流動引起的焊料拖尾問題？因為底部填充材料即要保證焊料不拖尾，又要保證焊點的可靠性，及可觀察到的焊料爬升角度，同時，底部填充材料的設(shè)計必須保證烘烤階段材料的流動，固化情況處于可控工藝窗口之內(nèi)。另外，底部填充材料與焊接材料的匹配標準在本文中也有討論。關(guān)鍵詞語：晶片，底部填充，表面貼裝技術(shù)，倒插芯片，CSP封裝，無鉛，烘烤背景：FC及CSP封裝器件要求底部填充材料在焊接過程中能夠與焊球、PCB完美結(jié)合，增加焊點的抗疲勞能力。底部填充工藝方便、簡單，將半液態(tài)填充材料施加在焊球與器件基板之間的間隙即可

3、。對于節(jié)點尺寸大、I/O接口多的器件，填充材料的填充高度必須一致，實踐證明：底部填充非常耗時，尤其FC封裝器件，是大批量生產(chǎn)的瓶頸。晶片底部填充工藝（WLUF）首先是在大的晶圓上直接施加膠狀(半液態(tài))底部填充材料，然后大的晶圓經(jīng)烘烤階段（B-Stage）固化，使其失去粘性，最后，將大晶圓分割成晶片，切割好的晶片獨立包裝，即可發(fā)往客戶。器件在SMT裝配過程中，被貼放于PCB上回流焊接，器件在該階段，焊料經(jīng)助焊劑揮發(fā)作用回流形成焊點，與此同時，底部填充材料也經(jīng)過熔融，固化的步驟，對焊點的形成起幫助保護作用。綜上所述，芯片級封裝器件生產(chǎn)工藝步驟少，價格便宜。芯片級封裝器件，從晶圓底部填充材料到PCB

4、裝配結(jié)束，底部填充材料經(jīng)過：膠狀底部填充材料滴涂到大晶圓上底部填充材料固化晶圓切割晶片上底部填充材料在PCB回流過程中液化再固化，具體實施請看下列步驟：1.      滴涂：要求底部填充材料流動性好，便于滴涂。2.      烘烤/切割：經(jīng)烘烤階段的底部填充材料，不能有空洞，應(yīng)為無缺陷的透明填充膜，該填充膜的玻璃轉(zhuǎn)化溫度（Tg）必須高于室溫，使其在室溫環(huán)境下切割時沒有粘性，刮刀無粘連。3.      助焊：底部填充材料具有助焊功能，器件在回流過程

5、中，底部填充材料可以幫助清除焊球焊料PCB表面氧化層，并隨焊球同步延伸，具有同樣的張力，同時，填充材料在助焊階段不能產(chǎn)生任何揮發(fā)物，以保證填充穩(wěn)定性。4.      回流：回流過程中，底部填充物必須流動以確保焊接的形成，同時，覆蓋焊點形成保護膜，該保護膜加強焊點與器件基板連接可靠性。5.      固化：底部填充材料經(jīng)回流后必須固化，以確保焊點形成剛性結(jié)構(gòu)，但該固化時間必須遲于焊料的固化，以保證焊點形成，對于體積大，I/O接口多的器件，經(jīng)過回流固化后的PCB需再經(jīng)過低溫烘烤，保證底部填充物的充分

6、固化。6.      焊膏：標準的SMT裝配過程中，焊膏印刷在PCB焊盤上，從而在回流后形成機械，電氣連接，焊膏回流后形成一定的焊點高度，底部填充則增加焊點可靠性，理想狀態(tài)下，底部填充應(yīng)縮小焊料范圍，并保證回流過程中焊料收縮，無拖尾。7.      返工/返修：底部填充材料必須具備可返工/返修功能，以保證缺陷焊接的返工/返修，因此要求底部填充材料在>220時，剪切強度要小，且殘留物要容易清除。8.      材料特性（Tg，CTE，E）：底

7、部填充材料必須滿足最小的CTE模量系數(shù)及Tg要求，滿足封裝可靠性要求，并能通過溫度循環(huán)，潮濕阻抗測試。與無鉛工藝匹配的WLUF：現(xiàn)在大多數(shù)以鉛為基材的焊球采用C4材料，即63%Sn37%Pb，熔點為183，符合EU與日本電子元器件生產(chǎn)的立法要求，無鉛焊接材料有Sn3.5Ag0.7Cu，熔點217；SnCu0.7，熔點227；Sn3.4Ag1.0Cu3.3Bi，熔點210，意味著對于無鉛回流焊接，回流峰值溫度至少增加了40。A. 由于回流溫度升高，對底部填充材料的新要求：1.      熱穩(wěn)定性有待提高：底部填充材料在回流過程中，溫度要達到260

8、，與無鉛焊接材料兼容，在此溫度下大多數(shù)有機材料已接近其峰值溫度，因此，底部填充材料的熱穩(wěn)定性有待提高。2.      底部填充材料助焊能力有待提高：無鉛焊料合金因表面抗腐蝕力降低，因而更易氧化，為此，底部填充材料必須具有更強的助焊能力，在回流過程中去除金屬氧化物，提高助焊效果。3.      固化延時：因無鉛焊料熔融溫度升高了近40，底部填充材料固化必須在焊點形成之后開始，因此，開始固化時間要延時。4.      縮小焊膏拖尾：無鉛焊膏凝聚力小，

9、易流動及出現(xiàn)拖尾現(xiàn)象，過度的拖尾會導(dǎo)致細間距器件短路，因此，底部填充材料必須保證對印刷好的焊料施加最小力的作用。B. 烘烤階段對WLUF產(chǎn)生影響的三個步驟：1.      底部填充材料的流動：烘烤階段開始底部填充材料呈半液體狀，且粘性小，允許焊球與焊盤之間在焊球塌落時形成良好焊接，底部填充材料的粘性對填充保護膜的形成也是非常重要的。底部填充材料的流動性是通過TMA探針對烘烤階段底部填充材料厚度進行測試得出的結(jié)論，TMA擠壓流動測試器在后面有詳細描述。2.      烘烤后晶圓的翹曲及底部填充材料

10、的脆裂：晶圓翹曲程度是由于在回流冷卻過程中，硅晶圓與底部填充材料CTE不匹配形成的內(nèi)應(yīng)力造成的，與硅晶圓的CTE底部填充材料的模量系數(shù)Tg及室溫有關(guān)，由以上幾個因素引起的內(nèi)應(yīng)力可由下列公式計算： 其中： ：作用在晶圓上的應(yīng)力E：底部填充材料的模量系數(shù)CTE：CTE差值Tg-T：玻璃轉(zhuǎn)換溫度與室溫差值(烘烤后退火處理可減少作用在晶圓上的應(yīng)力，應(yīng)力減少過程可通過DSC監(jiān)控)組裝過程中焊膏拖尾現(xiàn)象：無鉛焊膏流動性大，易拖尾，底部填充材料/無鉛焊膏組裝工藝要不斷優(yōu)化，分析底部填充材料與無鉛焊料特性，減少拖尾現(xiàn)象的產(chǎn)生。試驗經(jīng)驗總結(jié)：國際，國內(nèi)的一些研究機構(gòu)對底部填充材料的研究不斷提高，并有專

11、利技術(shù)產(chǎn)生，三種底部填充材料（材料E與共晶焊料兼容；材料A，B與無鉛焊料兼容）被具體研究。單層填充材料可用于有焊球的晶圓上，烘烤后呈透明膜，單層膜現(xiàn)被廣泛利用，但因底部填充材料在滴涂和烘烤過程耗時，占用空間大，為節(jié)約時間，減少空間占用率，可采用多層滴涂。表一列出了一系列底部填充材料的研究結(jié)果： 表中有兩種焊膏來自Indium公司，NC-SMQ92J-為免清洗Sn63/Pb37焊膏，NC-SMQ230為免清洗95.5Sn/3.8Ag/0.7Cu無鉛焊膏（Indium 241）TMA擠壓流動測試：采用絲網(wǎng)印刷方法，將200微米厚的WLUF材料印刷在玻璃板上的5毫米*5毫米的面積上，WLU

12、F材料上放置TMA探頭（TA工具，膨脹計），溫度從室溫升到1505/min爬升溫度，壓力設(shè)置在與節(jié)點重量匹配的0.001N上，改變WLUF材料厚度d，并做好相應(yīng)記錄。1. DSC應(yīng)力釋放特性：玻璃板上WLUF材料烘烤后厚度為250微米，然后將其置于預(yù)熱退火裝置中，退火后，將材料刮下，再在DSC中以10/minute的升溫速度升溫到一定溫度，從高溫回到室溫的退火過程中，壓力釋放，掃描記錄退火過程應(yīng)力變化情況。2. 焊料拖尾測試：底部填充材料固化在玻璃板上，300微米厚的焊膏印刷在OSP處理的裸銅板上，如圖二，將有固化填充材料的玻璃板倒放在印刷好的焊膏 上，回流，透過玻璃板很容易看到焊料

13、拖尾現(xiàn)象，因焊料直接與底部填充材料接觸（無焊球），與正常SMT裝配相比，焊料更易引起拖尾。結(jié)論：焊料拖尾與底部填充材料流動：底部填充材料使用與無鉛焊料匹配的材料A，焊膏使用Indium241，圖三顯示焊膏拖尾實驗結(jié)果，很顯然，焊膏拖尾是由于材料A流動引起的。與共晶焊料匹配的材料E與Indium 的Sn63/Pb37焊膏NC-SMQ92J搭配試驗，如圖四所示，從圖中看出，幾乎無拖尾現(xiàn)象，且焊料對Cu-OSP潤濕性也很好。圖五為與共晶焊膏匹配的底部填充材料E與無鉛焊膏Indium241搭配結(jié)果，圖六為與無鉛焊膏搭配的底部填充材料A與共晶焊膏NC-SMQ92J搭配結(jié)果，圖六可看出，焊料對Cu-OSP

14、裸銅板潤濕性很差。 通過試驗分析，下面兩項建議供同行參考：無鉛焊膏內(nèi)聚力差，對印刷工藝要求簡單,Sn/Ag/Cu模量系數(shù)大，表面張力大，不易于延伸，通過對217的Sn/Ag/Cu與共晶的183的Sn63/Pb37焊膏形成的潤濕角的分析顯示，Sn/Ag/Cu表面張力大，焊料與底部填充材料的關(guān)系可以看作液體流過并浸沒固體，液體的流動對固體產(chǎn)生浮力（FD）使其拖尾，浮力產(chǎn)生的大小可由下列公式計算： 其中：V：底部填充材料的流動速度Ap:焊料實際接觸底部填充材料的面積底部填充材料流動速度與其粘性成反比： 因此，浮力FD與底部填充材料的粘性成反比，要想減少拖尾發(fā)生，應(yīng)該減少

15、浮力，即增加底部填充材料的粘性即可。 底部填充材料的粘性可通過調(diào)整烘烤條件來改變，焊料與底部填充材料匹配結(jié)果見圖七，增加烘烤時間可降低流動性，從而降低拖尾發(fā)生，140，烘烤時間為90分鐘和120分鐘是，拖尾幾乎可以完全消除。 雖然試驗證明烘烤時間長可消除拖尾，但對底部填充材料的流動則會產(chǎn)生副作用，如烘烤時間為90分鐘和120分鐘，裝配回流時底部填充材料不能充分流到器件四周邊角形成填充保護膜，同時，對焊球與焊盤間形成的焊點起不到保護作用。底部填充材料要求即能控制焊料拖尾，又能形成保護膜保護焊點，粘性高的底部填充材料流動性小，且對焊料有一定凝聚力，而低粘性的底部填充材料流動性好

16、，可以滿足后道工藝要求。另外，一種與無鉛焊料搭配的材料B，烘烤工藝窗口較大，TMA擠壓流動試驗可以比較底部填充材料的流動性，材料流動性對探頭測出的浮力影響很大，此時，材料厚度補償很有效。材料A與B在140，不同烘烤時間，底部填充材料流動性結(jié)果見圖八，烘烤時間越長，流動性越差，材料B在烘烤時間60分鐘之前流動性很明顯好于材料A，所以材料B溫度窗口比材料A寬。 底部填充材料B烘烤時間與焊料裝配結(jié)果如圖九，拖尾情況好于材料A，因此，材料B烘烤時間長并不影響其流動效果。材料A與無鉛焊膏Indium241在140，不同烘烤時間的試驗結(jié)果，見圖九： 晶圓翹曲與底部填充材料脆裂：當使用W

17、LUF材料A填充到裸硅晶圓上，會發(fā)生嚴重翹曲（特別是3”和6”晶圓），翹曲原因就是晶圓在填充材料冷卻過程中硅材料與填充材料CTE不匹配造成的，通常底部填充材料脆裂釋放應(yīng)力，翹曲變小或消失，為減少應(yīng)力產(chǎn)生，底部填充材料冷卻后要進行退火處理，退火過程中應(yīng)力的釋放可通過DSC觀察到，圖十即為DSC溫度記錄圖，記錄了材料B烘烤后在50，不同退火時間的情況。 退火時間增加，聚合體系統(tǒng)向低應(yīng)力平衡點移動，吸熱頭根據(jù)Tg變化，可統(tǒng)計出應(yīng)力釋放情況。明確了退火溫度對應(yīng)力釋放動力學(xué)的影響，退火試驗可在不同溫度下重復(fù)進行，吸熱頭在不同溫度經(jīng)1H退火后，如圖十一，在50時應(yīng)力釋放最大，材料B退火溫度是55，為其玻璃轉(zhuǎn)化溫度，因此，應(yīng)力釋放最佳時機為材料玻璃轉(zhuǎn)換溫度，DSC溫度記錄圖可對退火和未經(jīng)退火的材料進行統(tǒng)計分析，退火對材料結(jié)構(gòu)無影響，因此對材料流動，材料結(jié)合沒有任何影響。當材料B填充到晶圓上，經(jīng)50，30分鐘退火，晶圓脆裂可消除，結(jié)論：晶圓底部填充材料，用于無鉛焊接的要求更具挑戰(zhàn)性，晶片級封裝器件在無鉛焊接