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晶片级无铅CSP器件的底部填充材料(一)

晶片级器件底部填充作为一种新工艺仍需进一步提高及优化,其工艺为:在晶片级器件制作过程中,晶圆底部加填充材料,这种填充材料在芯片成型时一步到位,免掉了外封装工艺,这种封装体积小,工艺简单,可谓经济实惠。然而,该新型封装器件面临一个严峻的考验,即:用于无铅焊接工艺。这就意味着:即要保证器件底部填充材料与无铅焊料的兼容,又要满足无铅高温焊接要求,保证焊接点的可靠性及生产产量。

近期为无铅CSP底部填充研发了几种新型材料,这些填充材料滴涂到晶圆上,呈透明胶状(半液态)物质,经烘烤,呈透明状固态物质,这样分割晶圆时可保证晶片外形的完整性,不会出现晶片分层或脆裂。在这篇文章中,我们探讨一下烘烤对晶圆翘曲度的影响?烘烤是否引发底部填充材料的脆裂?以及回流过程中底部填充物的流动引起的焊料拖尾问题?因为底部填充材料即要保证焊料不拖尾,又要保证焊点的可靠性,及可观察到的焊料爬升角度,同时,底部填充材料的设计必须保证烘烤阶段材料的流动,固化情况处于可控工艺窗口之内。另外,底部填充材料与焊接材料的匹配标准在本文中也有讨论。

关键词语:晶片,底部填充,表面贴装技术,倒插芯片,CSP封装,无铅,烘烤
背景:
    FC及CSP封装器件要求底部填充材料在焊接过程中能够与焊球、PCB完美结合,增加焊点的抗疲劳能力。底部填充工艺方便、简单,将半液态填充材料施加在焊球与器件基板之间的间隙即可。对于节点尺寸大、I/O接口多的器件,填充材料的填充高度必须一致,实践证明:底部填充非常耗时,尤其FC封装器件,是大批量生产的瓶颈。
    晶片底部填充工艺(WLUF)首先是在大的晶圆上直接施加胶状(半液态)底部填充材料,然后大的晶圆经烘烤阶段(B-Stage)固化,使其失去粘性,最后,将大晶圆分割成晶片,切割好的晶片独立包装,即可发往客户。器件在装配过程中,被贴放于PCB上回流焊接,器件在该阶段,焊料经助焊剂挥发作用回流形成焊点,与此同时,底部填充材料也经过熔融,固化的步骤,对焊点的形成起帮助保护作用。综上所述,芯片级封装器件生产工艺步骤少,价格便宜。
    芯片级封装器件,从晶圆﹑底部填充材料﹑到PCB装配结束,底部填充材料经过:胶状底部填充材料滴涂到大晶圆上→底部填充材料固化→晶圆切割→晶片上底部填充材料在PCB回流过程中液化→再固化,具体实施请看下列步骤:
1.滴涂:要求底部填充材料流动性好,便于滴涂。
2.烘烤/切割:经烘烤阶段的底部填充材料,不能有空洞,应为无缺陷的透明填充膜,该填充膜的玻璃转化温度(Tg)必须高于室温,使其在室温环境下切割时没有粘性,刮刀无粘连。
3.助焊:底部填充材料具有助焊功能,器件在回流过程中,底部填充材料可以帮助清除焊球﹑焊料﹑PCB表面氧化层,并随焊球同步延伸,具有同样的张力,同时,填充材料在助焊阶段不能产生任何挥发物,以保证填充稳定性。
4.回流:回流过程中,底部填充物必须流动以确保焊接的形成,同时,覆盖焊点形成保护膜,该保护膜加强焊点与器件基板连接可靠性。
5.固化:底部填充材料经回流后必须固化,以确保焊点形成刚性结构,但该固化时间必须迟于焊料的固化,以保证焊点形成,对于体积大,I/O接口多的器件,经过回流固化后的PCB需再经过低温烘烤,保证底部填充物的充分固化。
6.焊膏:标准的SMT装配过程中,焊膏印刷在PCB焊盘上,从而在回流后形成机械,电气连接,焊膏回流后形成一定的焊点高度,底部填充则增加焊点可靠性,理想状态下,底部填充应缩小焊料范围,并保证回流过程中焊料收缩,无拖尾。
7.返工/返修:底部填充材料必须具备可返工/返修功能,以保证缺陷焊接的返工/返修,因此要求底部填充材料在>220℃时,剪切强度要小,且残留物要容易清除。
8.材料特性(Tg,CTE,E):底部填充材料必须满足最小的CTE﹑模量系数及Tg要求,满足封装可靠性要求,并能通过温度循环,潮湿阻抗测试。

与无铅工艺匹配的WLUF:
    现在大多数以铅为基材的焊球采用C4材料,即63%Sn37%Pb,熔点为183℃,符合EU与日本电子元器件生产的立法要求,无铅焊接材料有Sn3.5Ag0.7Cu,熔点217℃;SnCu0.7,熔点227℃;Sn3.4Ag1.0Cu3.3Bi,熔点210℃,意味着对于无铅回流焊接,回流峰值温度至少增加了40℃。
A. 由于回流温度升高,对底部填充材料的新要求:
1.热稳定性有待提高:底部填充材料在回流过程中,温度要达到260℃,与无铅焊接材料兼容,在此温度下大多数有机材料已接近其峰值温度,因此,底部填充材料的热稳定性有待提高。
2.底部填充材料助焊能力有待提高:无铅焊料合金因表面抗腐蚀力降低,因而更易氧化,为此,底部填充材料必须具有更强的助焊能力,在回流过程中去除金属氧化物,提高助焊效果。
3.固化延时:因无铅焊料熔融温度升高了近40℃,底部填充材料固化必须在焊点形成之后开始,因此,开始固化时间要延时。
4.缩小焊膏拖尾:无铅焊膏凝聚力小,易流动及出现拖尾现象,过度的拖尾会导致细间距器件短路,因此,底部填充材料必须保证对印刷好的焊料施加最小力的作用。

B. 烘烤阶段对WLUF产生影响的三个步骤:
1.底部填充材料的流动:烘烤阶段开始底部填充材料呈半液体状,且粘性小,允许焊球与焊盘之间在焊球塌落时形成良好焊接,底部填充材料的粘性对填充保护膜的形成也是非常重要的。底部填充材料的流动性是通过TMA探针对烘烤阶段底部填充材料厚度进行测试得出的结论,TMA挤压流动测试器在后面有详细描述。
2.烘烤后晶圆的翘曲及底部填充材料的脆裂:晶圆翘曲程度是由于在回流冷却过程中,硅晶圆与底部填充材料CTE不匹配形成的内应力造成的,与硅晶圆的CTE﹑底部填充材料的模量系数﹑Tg及室温有关,由以上几个因素引起的内应力可由下列公式计算:
 6бE*△CTE*(Tg-T)
  其中:б:作用在晶圆上的应力
       E:底部填充材料的模量系数
       △CTE:CTE差值
       Tg-T:玻璃转换温度与室温差值
(烘烤后退火处理可减少作用在晶圆上的应力,应力减少过程可通过DSC监控)
组装过程中焊膏拖尾现象:无铅焊膏流动性大,易拖尾,底部填充材料/无铅焊膏组装工艺要不断优化,分析底部填充材料与无铅焊料特性,减少拖尾现象的产生。


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