焊球置放及印刷和回流焊技术

1 前言   市场对于芯片级封装 (CSP) 的需求正在迅速增长,CSP封装是指封装器件的尺寸最多比芯片本身的尺寸大20%。晶圆级CSP是最普遍的芯片级封装形式之一,其焊料凸起或焊球直接沉积在硅晶的电阻接点上。
  然后,焊料凸起或焊球经过回流焊处理形成坚固的机电接口,可在自动化表面贴装装配线上用于组件贴装。经过回流焊处理的晶圆级凸起能够将倒装的裸片粘结在基底上。这种封装可省去传统上使用的金粘结引线,而这种引线的作用是将裸片和单独的引线框连接起来。
  市场现有数种在晶圆表面生成预成型焊球的方法,而晶圆级CSP和其它倒装芯片技术的研发者面临的挑战之一,就是将该封装优势应用于成本经济的大批量生产工艺中。对于倒装芯片和单系统封装 (SiP) 等高级封装,在FR4环氧基底上置放焊球是更为必要的工艺。SiP为定制 IC 的系统级芯片(SoC) 制造提供了颇具吸引力的选择,它已显现出更大的灵活性,系统设计人员可以将多个功能区块布置在单独的芯片上。
  利用 SiP 技术,可使用不同的工艺制造系统级芯片。比如,标准的CMOS工艺可以与砷化镓 (GaAs) 或者锗化硅 (SiGe) 等更加特殊的工艺相结合,使器件的RF 性能达到最优。使用 SiP 技术,多个芯片可以封装在一个基底上,从而实现高集成度、低总体组件数及低互连密度。SiP 可使用晶圆级凸起将裸片附着在基底上,基底级凸起可与电路板互连。
  要实现倒装芯片工艺,需要找到在晶圆和基底上进行高效、大批量焊料凸起加工的解决方案。对于尺寸范围较大的凸起 (0.3-0.9mm),焊球置放可能是一种有效的方法。
  焊料凸起生产的挑战在于快速转换、更高的生产量和第一次通过合格率,尤其是当凸起间距更精密时。用户也在几个层次上寻求更低的成本:初期设备投资、长期使用成本及工具。为了满足这些需求,供应商需要提供灵活的操作平台,比如可处理不同输入格式的器件,还能够沉积助焊剂、焊膏或焊料。
  2 晶圆凸起方法
  在晶圆表面生成焊料凸起的方法有许多种,先讨论电镀技术。在该工艺中,光刻胶喷溅到凸起下部金属化晶圆上,并被固化;涂上光刻胶的晶圆经过掩模、曝光和显影,显现出凸起生成的位置,然后再进行剧烈烘烤;随后,晶圆被装入晶圆盒并自动传送,经过预处理、湿式化学电镀、后处理和烘干工序;最后,进行光刻胶剥离、金属刻蚀和回流焊处理。
  对于晶圆凸起工艺,利用网板印刷平台进行批量压印是一种经济上颇具吸引力的方法,因为这种方法的设备投资低得多。印制头只需几秒钟的时间,即可将焊膏涂敷到整个网板上,可同时对几十万个焊垫进行凸起加工,因此,该工艺在产量方面具有明显优势。
  采用这种方法,需要使用针对每项应用定制的特别设计指南。此外,还需要专门的设备、材料和工艺指令,以建立稳固的高良率晶圆凸起印刷和回流焊工艺。
  在压印工序,可使用过印策略 (over-printing strategy) 来获得80至150微米的凸起高度,而凸起间距为150至500微米。这项技术要求在制作电铸网板时严格执行设计规则。另外,也需要密切关注粘结焊垫的设计,留出足够的接触面积,以便在给定的间距条件下达到足够的焊点强度。
  芯片的焊垫尺寸直接影响焊料的用量。要获得相同的经回流焊处理的凸起高度,较小焊垫所需的焊膏量比较大焊垫的少。然而,如果焊垫尺寸太小,较小的粘结区域就不足以承受相对较多的焊料。这样,凸起及焊点强度可能受到重大影响,而好处只是间隙距离略微增加。
  焊料凸起的尺寸也和芯片焊垫的可湿润粘结区的形状有关。该形状不一定由焊垫的几何形状决定,而主要由焊垫上的钝化窗决定。
  现列举一个典型的示例,焊膏通过大小为6 x 19 mil、3 mil深的网板穿孔沉积在晶圆上。在回流焊过程中,焊膏回流到焊垫上,形成高5 mil、直径为6 mil的球状体。一般来说,这项工艺适用于凸起间距最小为200微米的全阵列结构裸片,以及凸起间距最小为150微米的外围阵列结构设计(图1)。

  许多可行的工艺技术是这样的,对印刷平台进行配置以满足半导体生产环境的需要。配置包括自动晶圆运送系统,以及适用于洁净室的自动无纸清洁系统。全封闭的印制头可使焊膏保持最佳的状态,还可将焊膏处理、网板表面曝光及焊膏损耗减至最低限度。这些系统在使用专门而昂贵的低α焊膏进行超精密间距凸起加工时非常重要。
  3 柱形凸起工艺
  焊球粘结设备可使用标准或者平滑的柱形凸起工艺,用于倒装芯片的焊球操作。这两种都是串行工艺,即每次形成一个焊球,用于晶圆级凸起或者单裸片凸起的加工。
  在标准的焊接工艺中,对预定量的引线进行电子火焰熄灭 (Electronic Flame-off;EFO) 操作,引线在脱离毛细工具顶端时形成 无空气球 (Free Air Ball;FAB),并在置放力、时间、超声波和加热的共同作用下“焊接”到基底上。根据不同的应用,焊接温度可能高达200o C或与环境温度一样。随后粘结头伸出来,钳固引线,并留下小小的焊尾。
  带焊尾的芯片可以进行倒装,或者在倒装前通过单独的“压铸”工艺使其平整(图2)。为了加工出平滑的柱形凸起,粘结头横向移动,剪断引线,并有效地压印出凸起。

  柱形凸起工艺通常用于I/O数目相对较少的器件。其焊垫尺寸通常较大,凸起的焊球直径约为90微米。焊球尺寸与引线的直径 (通常1-2mil) 及工艺有关,因此焊球的大小和形状可根据特定的应用进行定制。
  虽然铜、钯和焊锡引线也用于柱形凸起工艺,但通常情况下使用金引线.。比起其它工艺形成的 200mm 焊料凸起间距,柱形凸起工艺可支持非常精密的、低至 65mm 的凸起间距。由于柱形凸起工艺是在现有的裸片焊垫上进行,无需再分布层或底部凸起金属化 (Under Bump Metallization;UBM),也就省去了这些加工流程,并且,该工艺还可利用现有的IC设计,测试和制造工具。
  4 焊球置放方法
  若凸起间距和大小适当,可选择用置放焊球的方法来取代在晶圆和基底上形成焊料凸起。比如,几种不同的工艺和设备可用于CSP和SiP。其中包括重力导流或真空置放等专用系统,以及运用大规模压印技术的网板印刷机。
  在应用重力导流的专用焊球置放系统中,助焊剂通过网板印刷涂敷到基底上。同时,将焊球重力导流到网板上,“摇晃”网板使焊球各就各位。将预涂敷助焊剂的基底倒转,置于网板的焊球的上方。再将二者一起倒转,焊球滴到基底上,随后可进行回流焊加工(图2) 。
  在真空置放技术中,可用真空置放工具将焊球排列成阵列图案。其后,将焊球在助焊剂槽中浸渍,置于附着焊垫的顶部,然后从真空工具中释放出焊球。在某些系统中,传输引脚可将助焊剂涂敷到基底的焊垫上,然后从真空工具中释出焊球,放到预涂敷助焊剂的基底上(图3)。


  无论使用哪种类型的置放技术,在助焊剂涂敷和焊球置放操作过程中,必须进行预先焊球视像检测和后续视像检测,以确保焊球的正确定位,这是焊球置放工艺不可或缺的一部分。一般来说,大多数的专用置放系统能处理的最大基底尺寸为140 x 300 mm。焊球直径0.3mm到0.9mm,置放间距为0.5mm到1.5mm。
  用于印刷和回流焊晶圆凸起工艺的批量压印技术,也可用于焊球置放。该工艺利用标准的内嵌 SMT 印刷机来压印助焊剂,然后,另一台配备全封闭材料转印头的印刷机直接将焊球置放在涂有助焊剂的焊垫上,焊球直径范围在12 mil (0.3mm) 到30 mil (0.75mm) 之间,它由特别设计的印刷网板上的穿孔来决定。印刷头的形状象漏斗,可排成一列,能够装下120万个0.9mm焊球,或者多至5,000万个0.3mm焊球 (图4) 。转印头每次经过网板时,按需求从其焊球槽中导引一定量的焊球到网板表面。相对于重力导流工艺,其摩擦力较小,使得焊球可以无损坏地到达网板表面。以效果而言,每个网板穿孔可用作独立的焊球置放喷嘴。

  转印头装置穿过网板时产生持续、可控的置放力,确保了网格阵列的每个节点上只放置一个焊球,该焊球牢固地就位于涂敷了助焊剂的焊垫上,从而可防止焊球在后续处理过程中发生偏移(图5)。

  无论在晶圆还是基底上置放焊球,可使用多种工具和加工解决方案,以创建快速的自动化工艺流程,使操作人员的干预达到最少。200mm 以下的晶圆可放在标准开口卡盒里,传送至印刷平台进行加工处理,然后再传送出来;而300mm 的晶圆则
放在FOUP卡盒里传送。
  基底可以放置在托盘、条带或舟形容器中,或者为单一格式,可使用特别设计的处理方案,确保达到精确置放助焊剂和焊球所需的高精度定位要求。一旦焊球置放完毕,组件通过工业标准接口,被传送至回流焊及其它下游工序,进行其余的装配加工。
  正如前面所述的晶圆凸起工艺那样,如果需要,可以更换网板和材料转印头,将网板印刷平台的功能从焊球置放转变为焊膏涂敷。依靠这样的灵活转换机制,制造商和合同转包商可在同一个设备平台上实现晶圆级或基底级的焊料凸起和焊球置放工艺。
  5 结论
  为了满足包括芯片级封装在内的区域阵列互连工艺的市场需求,制造商必须从众多的工艺技术中作出选择,用于实现晶圆级和基底级焊料凸起工艺。现有的许多串行和并行工艺均与应用相关,尤其是与焊球直径和间距相关。对于大批量生产而言,选择工艺技术时应该考虑的因素包括:精密度,产量,可靠度,灵活度和成本效率。要成功地实现高产量工艺,必须仔细评估所有的相关因素。