晶片級(jí)無鉛CSP器件的底部填充材料(一)

晶片級(jí)器件底部填充作為一種新工藝仍需進(jìn)一步提高及優(yōu)化，其工藝為：在晶片級(jí)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(shí)一步到位，免掉了外封裝工藝，這種封裝體積小，工藝簡(jiǎn)單，可謂經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。然而，該新型封裝器件面臨一個(gè)嚴(yán)峻的考驗(yàn)，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(diǎn)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(shí)可保證晶片外形的完整性，不會(huì)出現(xiàn)晶片分層或脆裂。在這篇文章中，我們探討一下烘烤對(duì)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(dòng)引起的焊料拖尾問題？因?yàn)榈撞刻畛洳牧霞匆ＷC焊料不拖尾，又要保證焊點(diǎn)的可靠性，及可觀察到的焊料爬升角度，同時(shí)，底部填充材料的設(shè)計(jì)必須保證烘烤階段材料的流動(dòng)，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(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)的抗疲勞能力。底部填充工藝方便、簡(jiǎn)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。對(duì)于節(jié)點(diǎn)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(shí)踐證明：底部填充非常耗時(shí)，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，后，將大晶圓分割成晶片，切割好的晶片獨(dú)立包裝，即可發(fā)往客戶。器件在裝配過程中，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(diǎn)，與此同時(shí)，底部填充材料也經(jīng)過熔融，固化的步驟，對(duì)焊點(diǎn)的形成起幫助保護(hù)作用。綜上所述，芯片級(jí)封裝器件生產(chǎn)工藝步驟少，價(jià)格便宜。
    芯片級(jí)封裝器件，從晶圓﹑底部填充材料﹑到PCB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(shí)施請(qǐng)看下列步驟：
1.滴涂：要求底部填充材料流動(dòng)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(shí)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(shí)，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(dòng)以確保焊接的形成，同時(shí)，覆蓋焊點(diǎn)形成保護(hù)膜，該保護(hù)膜加強(qiáng)焊點(diǎn)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(diǎn)形成剛性結(jié)構(gòu)，但該固化時(shí)間必須遲于焊料的固化，以保證焊點(diǎn)形成，對(duì)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固化。
6.焊膏：標(biāo)準(zhǔn)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(jī)械，電氣連接，焊膏回流后形成一定的焊點(diǎn)高度，底部填充則增加焊點(diǎn)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(shí)，剪切強(qiáng)度要小，且殘留物要容易清除。
8.材料特性（Tg，CTE，E）：底部填充材料必須滿足小的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(cè)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(diǎn)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(diǎn)217℃；SnCu0.7，熔點(diǎn)227℃；Sn3.4Ag1.0Cu3.3Bi，熔點(diǎn)210℃，意味著對(duì)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(duì)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(dá)到260℃，與無鉛焊接材料兼容，在此溫度下大多數(shù)有機(jī)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(qiáng)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(shí)：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(diǎn)形成之后開始，因此，開始固化時(shí)間要延時(shí)。
4.縮小焊膏拖尾：無鉛焊膏凝聚力小，易流動(dòng)及出現(xiàn)拖尾現(xiàn)象，過度的拖尾會(huì)導(dǎo)致細(xì)間距器件短路，因此，底部填充材料必須保證對(duì)印刷好的焊料施加小力的作用。

B. 烘烤階段對(duì)WLUF產(chǎn)生影響的三個(gè)步驟：
1.底部填充材料的流動(dòng)：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(shí)形成良好焊接，底部填充材料的粘性對(duì)填充保護(hù)膜的形成也是非常重要的。底部填充材料的流動(dòng)性是通過TMA探針對(duì)烘烤階段底部填充材料厚度進(jìn)行測(cè)試得出的結(jié)論，TMA擠壓流動(dòng)測(cè)試器在后面有詳細(xì)描述。
2.烘烤后晶圓的翹曲及底部填充材料的脆裂：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(gè)因素引起的內(nèi)應(yīng)力可由下列公式計(jì)算：

  其中:б: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(dòng)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。