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倒装芯片焊接焊剂锡膏残留清洗剂合明科技分享:浅谈引线框架上倒装芯片的封装

发布日期:2020-09-16 发布者:合明科技Unibright 浏览次数:1117

倒装芯片焊接焊剂锡膏残留清洗剂合明科技分享:浅谈引线框架上倒装芯片的封装



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摘 要:

 

阐述了倒装芯片 (FC) 封装产品的凸点制作过程与封装流程,并重点介绍倒装产品在传统封装过程中遇到的难点,从工艺的角度提出了相应的改善措施,确保倒装产品在封装过程的稳定性,从而满足产品的可靠性需求。

 

随着外形比较小和功能比较多的低成本电子设备的需求继续增长,以及倒装芯片(FC,Flip Chip) 本身固有的低信号自感应和较快的传输速度,使得 FC 封装技术在芯片封装中被大量采用,受到众多封装厂的青睐,同时能降低制造成本,FC 封装可达到相对于传统表面贴装元件包装,能获得更大的成本效益。这迎合了微电子封装技术追求更高密度、更小尺寸、更快处理速度、更高可靠性和更经济的发展趋势。

 

1 倒装芯片产品凸点制作与封装流程

 

倒装芯片产品的芯片钎料以及凸点对钎料的要求高,钎料的材料要有良好的重熔性能,由于其中重熔过程中具有自对准及收缩能力,有利于良好的钎料凸点的形成。因此,FC产品应用的要求不同及所选钎料的材料不同,凸点的制作方法也不同。

 

1.1 FC 芯片凸点的制作

 

FC 产品的凸点制作工艺如图 1 所示。倒装芯片虽然存在各种差异,但基本结构都是由集成电路(IC)、焊台基层金属化(UBM,Un-der-Bump Metallurgy)和凸点组成。UBM 是在芯片焊盘与凸点之间的金属化过渡层,主要起粘附和扩散阻挡的作用,它通常由粘附层、扩散阻挡层和浸润层等多层金属膜组成。目前通常采用溅射、蒸发、化学镀、电镀等方法来形成 UBM,所以 UBM层的制作是凸点制作的关键工艺之一,其好坏将直接影响凸点的质量,以及倒装焊接的成品率和封装后凸点的可靠性。制作UBM 层首先要对靶材与基板进行清洗,进行反溅射清除基片表面的粘污和金属氧化物,确保铝压点和钝化层粘附良好,其次是溅射粘附层与扩散阻挡层,这两层我们一般选择大约 150 nm 的 Cu,它可以有效地阻止凸点材料进入铝层,防止不利的、降低键合强度甚至导致键合失效的金属间化合物产生。在进行回流焊会焊点退火等高温处理时,必须能使凸点材料不穿透 UBM 层而进入其下面的 Al 压焊点。除此之外,UBM 层还必须具有良好的机械性能、导热性和电性能。


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1.2 FC 产品的封装流程

 

FC 芯片的封装流程和传统焊线封装基本相同,主要区别在于少了引线键合(WB,Wire bond)工序,多了回流焊(Reflow)工序。FC 芯片的基本封装流程如图 2 所示。

 

FC 封装与 WB 封装主要区别如下:


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WB 封装的主要工序流程如图 3 所示。

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WB 封装 3 个主要工序处于不同工位,非联机工作,相对于联机工作来说,不仅生产效率低,而且测试良品率也稍低。

 

FC 封装的主要工序流程如图 4 所示。

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FC 封装的 3 个主要工序处于同一工区,三机联机工作,生产效率高,测试良品率也较高。

 

2  FC芯片封装过程的难点及解决方案

 

2.1 回流焊

 

在 FC 芯片封装过程中,为了改善回流焊的质量和成品率,防止或减少氧化,提高焊接润湿力,加快润湿速度,减少锡球的产生,避免桥接,得到良好的焊接质量,在回流焊的过程中选择氮气作为保护气体。

 

在回流焊的过程中,回流环境惰性化是怎样影响焊接过程的?焊接中助焊剂的目的是将焊接物体表面的氧化物去掉。由于热量是氧化的催化剂,焊接时,融化焊球需要热量,所以回流焊接过程中不可能消除热量,这就需要通过惰性气体的保护来抑制焊接过程的氧化,改善熔锡的表面张力,从而达到理想的焊接效果。

 

回流焊的温度曲线共包括预热、浸润、回流和冷却 4 个部分,在贴装工艺之后,通过一个空气对流炉,来回流共晶焊锡球,形成电气连接。炉温设定按标准的表面贴装温度曲线设定,将氮气压力控制在 0.2~0.5 MPa,控制氮气的流速可以提供良好的热传导,避免在回流焊过程中造成焊球的浸润不良。在回流焊过程中对氮气中氧含量的控制,可以通过提高氮气气源质量,增加氮气压力和加大氮气的使用量,来保证控制氧含量在100×10 -6 以下,氧含量过大会引起虚焊。因此,还需要将进出口的氮气流量加大,减少中间区域的氮气流量,这样效果会更好。但是,在回流炉的进口处过大的氮气流速可能引起芯片偏移出焊盘,为此,可以通过增加分流板来防止气流直接冲击芯片。FC 芯片回流参考曲线如图 5所示,温度上升斜率和下降斜率控制在<2 ℃/s。

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2.2 塑封空洞

 

引线框架上倒装芯片(Flip chip on lead frame)的底部填料对装配的长期可靠性要求高。底部填充材料是一种适用于倒装芯片电路的单组分环氧树脂材料,由于芯片与管脚之间的间隙只有几十微米,因此要求材料的黏度极低,流动性要强,颗粒度要小,同时也是可固化包封材料。用底部填充材料的目的在于降低硅芯片和管脚之间的热膨胀系数的不匹配,可以很好地把热膨胀差异带来的集中在焊点周围的应力分散到整个芯片所覆盖的范围,同时可以保护器件不受潮气、震动等有害的环境因素影响,增强引线框架上倒装芯片封装的可靠性。

 

环氧材料作为倒装芯片的底部填充材料的基材,焊台(bump)区域空洞问题的解决,可以大大降低许多芯片键合发生空洞问题的概率。空洞产生的主要原因在于:①由于芯片与管脚之间的间隙很小,只有几十微米,塑粉颗粒太大,会造成塑粉颗粒夹在芯片与基板之间,堵住进胶口,造成芯片与管脚之间有空隙,所以对塑粉颗粒的大小,必须给予严格管控;②去除吸附的湿气。有机的封装材料表面吸附的湿气是导致固化后产生空洞的主要原因。芯片及线路板的表面都有可能附着湿气,特别是当空洞存在于两个邻近的锡球之间时,在回流过程中,焊锡可能流入空洞的区域,当空洞延伸到邻近的焊球时,就会直接导致短路,在做塑封前烘烤芯片可以除去湿气产生的空洞。引线框架上倒装芯片封装空洞的检测方法不同于传统封装的检测方法,需要先通过 T-SCAN 扫描,再通过C-SCAN 扫描确认。

 

2.3 碎片( Chipping )问题

 

晶圆切割的流程为减薄、切割、UV 照射、崩片,关键是在切割过程,FC 晶圆由于芯片表面生长凸点后,晶圆在减薄后容易发生翘曲,加上硅材料的脆性,机械切割方式会对晶圆的正面和背面产生机械应力,这样在切割过程中,由于应力得以释放,极易造成碎片(Chipping)问题(如图 6 所示)。初始的芯片边缘裂隙会在后续的封装过程中或在产品的使用中会进一步扩散,从而引起芯片断裂。另外,如果崩角进入芯片保护电路内部,芯片的电性能和可靠性都会受到影响。

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封装工艺设计规则限定崩角不能进入芯片的密封圈,如果将崩角的大小作为评定晶圆切割质量能力的指标,则可用公式来计算晶圆切割能力指数 C PK ,如图 7 所示,其中 D 1 &D 2 代表划片道中保留完整的部分,F SC 指正面崩角的大小,根据封装工艺设计规则,D 1 、D 2 的最小值可以为 0,允许崩角存在的区域宽度 D 为 (街区宽度 - 刀痕宽度)/2,F SC 为 D 1 、D 2 的平均值,σ chip 为 D 1 、D 2 的方差。按照统计学原理,对于一个合格的划片工艺而言,其切割能力指数应大于 1.5。

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为了得到完美的划片质量,在划片过程中,可以选择双刀划片来实现,双刀选择的关键参数如表 1。

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双刀划片后的示意图如图 8 所示。双刀划片后,芯片边缘检查如图 9 所示。

 

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3 结束语

 

FC 焊接技术既是一种芯片互连技术,又是一种理想的芯片粘接技术,是当今先进的微电子封装技术之一。无焊线的覆晶封装技术可以有效地避免焊线带来的各种问题,具有更好的散热和耐大电流的性能,提供了更好的热导率和散热面积。在此覆晶工艺基础上,可以方便实现高亮度需求的多芯片集成、模组等产品,充分发挥覆晶工艺的高良品率、高可靠性的优势。随着电子产品体积的进一步缩小,FC 封装芯片的应用范围越来越广,封装形式更趋多样化,对 FC 封装技术的要求也随之提高。同时 FC 也对芯片封装技术工艺提出了新的挑战。



文章作者:

王国励 何乃辉 王立国

(天水华天科技股份有限公司)


文章来源: 海绵宝宝的耳朵 半导体封装工程师之家

 



以上一文,仅供参考!

 

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以上为本公司一些经验的累积,因工艺问题内容广泛,没有面面俱到,只对常见问题作分析,随着电子产业的不断更新换代,新的工艺问题也不断出现,本公司自成立以来不断的追求产品的创新,做到与时俱进,熟悉各种生产复杂工艺,能为各种客户提供全方位的工艺、设备、材料的清洗解决方案支持。

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