芯片级无铅CSP器件的底部填充材料方案.docx

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芯片级无铅CSP器件的底部填充材料方案

芯片级无铅CSP器件的底部填充材料

芯片级无铅CSP器件的底部填充材料

概述：

晶片级器件底部填充作为壹种新工艺仍需进壹步提高及优化，其工艺为：

于晶片级器件制作过程中，晶圆底部加填充材料，这种填充材料于芯片成型时壹步到位，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壹个严峻的考验，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和无铅焊料的兼容，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。

于这篇文章中，我们探讨壹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，底部填充材料和焊接材料的匹配标准于本文中也有讨论。

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于焊接过程中能够和焊球、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于焊球和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壹致，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）首先是于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。

器件于SMT装配过程中，被贴放于PCB上回流焊接，器件于该阶段，焊料经助焊剂挥发作用回流形成焊点，和此同时，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于PCB回流过程中液化→再固化，具体实施请见下列步骤：

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，使其于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，器件于回流过程中，底部填充材料能够帮助清除焊球﹑焊料﹑PCB表面氧化层，且随焊球同步延伸，具有同样的张力，同时，填充材料于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，该保护膜加强焊点和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，焊膏印刷于PCB焊盘上，从而于回流后形成机械，电气连接，焊膏回流后形成壹定的焊点高度，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，且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于>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，且能通过温度循环，潮湿阻抗测试。

和无铅工艺匹配的WLUF：

当下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和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：

底部填充材料于回流过程中，温度要达到260℃，和无铅焊接材料兼容，于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，于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于焊点形成之后开始，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，允许焊球和焊盘之间于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挤压流动测试器于后面有详细描述。

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于回流冷却过程中，硅晶圆和底部填充材料CTE不匹配形成的内应力造成的，和硅晶圆的CTE﹑底部填充材料的模量系数﹑Tg及室温有关，由之上几个因素引起的内应力可由下列公式计算：

其中：

б：

作用于晶圆上的应力

E：

底部填充材料的模量系数

△CTE：

CTE差值

Tg-T：

玻璃转换温度和室温差值

（烘烤后退火处理可减少作用于晶圆上的应力，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，分析底部填充材料和无铅焊料特性，减少拖尾现象的产生。

试验经验总结：

国际，国内的壹些研究机构对底部填充材料的研究不断提高，且有专利技术产生，三种底部填充材料（材料E和共晶焊料兼容；材料A，B和无铅焊料兼容）被具体研究。

单层填充材料可用于有焊球的晶圆上，烘烤后呈透明膜，单层膜现被广泛利用，但因底部填充材料于滴涂和烘烤过程耗时，占用空间大，为节约时间，减少空间占用率，可采用多层滴涂。

表壹列出了壹系列底部填充材料的研究结果：

表中有俩种焊膏来自Indium公司，NC-SMQ92J--为免清洗Sn63/Pb37焊膏，NC-SMQ230—为免清洗95.5Sn/3.8Ag/0.7Cu无铅焊膏（Indium241）

TMA挤压流动测试：

采用丝网印刷方法，将200微米厚的WLUF材料印刷于玻璃板上的5毫米*5毫米的面积上，WLUF材料上放置TMA探头（TA工具，膨胀计），温度从室温升到150℃@5℃/min爬升温度，压力设置于和节点重量匹配的0.001N上，改变WLUF材料厚度d，且做好相应记录。

1.DSC应力释放特性：

玻璃板上WLUF材料烘烤后厚度为250微米，然后将其置于预热—退火装置中，退火后，将材料刮下，再于DSC中以10℃/minute的升温速度升温到壹定温度，从高温回到室温的退火过程中，压力释放，扫描记录退火过程应力变化情况。

2.焊料拖尾测试：

底部填充材料固化于玻璃板上，300微米厚的焊膏印刷于OSP处理的裸铜板上，如图二，将有固化填充材料的玻璃板倒放于印刷好的焊膏

上，回

流，透过玻璃板很容易见到焊料拖尾现象，因焊料直接和底部填充材料接触（无焊球），和正常SMT装配相比，焊料更易引起拖尾。

结论：

焊料拖尾和底部填充材料流动：

底部填充材料使用和无铅焊料匹配的材料A，焊膏使用Indium241，图三显示焊膏拖尾实验结果，很显然，焊膏拖尾是由于材料A流动引起的。

和共晶焊料匹配的材料E和Indium的Sn63/Pb37焊膏NC-SMQ92J搭配试验，如图四所示，从图中见出，几乎无拖尾现象，且焊料对Cu-OSP润湿性也很好。

图五为和共晶焊膏匹配的底部填充材料E和无铅焊膏Indium241搭配结果，图六为和无铅焊膏搭配的底部填充材料A和共晶焊膏NC-SMQ92J搭配结果，图六可见出，焊料对Cu-OSP裸铜板润湿性很差。

通过试验分析，下面俩项建议供同行参考：

无铅焊膏内聚力差，对印刷工艺要求简单,Sn/Ag/Cu模量系数大，表面张力大，不易于延伸，通过对217℃的Sn/Ag/Cu和共晶的183℃的Sn63/Pb37焊膏形成的润湿角的分析显示，Sn/Ag/Cu表面张力大，焊料和底部填充材料的关系能够见作液体流过且浸没固体，液体的流动对固体产生浮力（FD）使其拖尾，浮力产生的大小可由下列公式计算：

其中：

V：

底部填充材料的流动速度

Ap:

焊料实际接触底部填充材料的面积

底部填充材料流动速度和其粘性成反比：

因此，浮力FD和底部填充材料的粘性成反比，要想减少拖尾发生，

应该减少浮力，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过调整烘烤条件来改变，焊料和底部填充材料匹配结果见图七，增加烘烤时间可降低流动性，从而降低拖尾发生，

140℃，烘烤时间为90分钟和120分钟是，拖尾几乎能够完全消除。

虽然试验证明烘烤时间长可消除拖尾，但对底部填充材料的流动则会产生副作用，如烘烤时间为90分钟和120分钟，装配回流时底部填充材料不能充分流到器件四周边角形成填充保护膜，同时，对焊球和焊盘间形成的焊点起不到保护作用。

底部填充材料要求即能控制焊料拖尾，又能形成保护膜保护焊点，粘性高的底部填充材料流动性小，且对焊料有壹定凝聚力，而低粘性的底部填充材料流动性好，能够满足后道工艺要求。

另外，壹种和无铅焊料搭配的材料B，烘烤工艺窗口较大，TMA挤压流动试验能够比较底部填充材料的流动性，材料流动性对探头测出的浮力影响很大，此时，材料厚度补偿很有效。

材料A和B于140℃，不同烘烤时间，底部填充材料流动性结果见图八，烘烤时间越长，流动性越差，材料B于烘烤时间60分钟之前流动性很明显好于材料A，所以材料B温度窗口比材料A宽。

底部填充材料B烘烤时间和焊料装配结果如图九，拖尾情况好于材料A，因此，材料B烘烤时间长且不影响其流动效果。

材料A和无铅焊膏Indium241于140℃，不同烘烤时间的试验结果，见图九：

晶圆翘曲和底部填充材料脆裂：

当使用WLUF材料A填充到裸硅晶圆上，会发生严重翘曲（特别是3”和6”晶圆），翘曲原因就是晶圆于填充材料冷却过程中硅材料和填充材料CTE不匹配造成的，通常底部填充材料脆裂释放应力，翘曲变小或消失，为减少应力产生，底部填充材料冷却后要进行退火处理，退火过程中应力的释放可通过DSC观察到，图十即为DSC温度记录图，记录了材料B烘烤后于50℃，不同退火时间的情况。

退火时间增加，聚合体系统向低应力平衡点移动，吸热头根据Tg变化，可统计出应力释放情况。

明确了退火温度对应力释放动力学的影响，退火试验可于不同温度下重复进行，吸热头于不同温度经1H退火后，如图十壹，于50℃时应力释放最大，材料B退火温度是55℃，为其玻璃转化温度，因此，应力释放最佳时机为材料玻璃转换温度，DSC温度记录图可对退火和未经退火的材料进行统计分析，退火对材料结构无影响，因此对材料流动，材料结合没有任何影响。

当材料B填充到晶圆上，经50℃，30分钟退火，晶圆脆裂可消除，

结论：

晶圆底部填充材料，用于无铅焊接的要求更具挑战性，晶片级封装器件于无铅焊接中，焊接温度高，焊料易拖尾，焊接窗口窄，因此，底部填充材料的选择，烘烤工艺的控制非常重要，处理的好，可消除拖尾，且有好的流动性，易于形成良好的保护膜，且协助焊接时良好焊点的形成，可通过调整烘烤时间增加底部填充材料的粘性，改善拖尾情况，底部填充材料可保证其良好的流动性及较宽的工艺窗口。

后期烘烤后的退火，可消除晶圆翘曲及脆裂，退火过程中应力释放可通过DSC监控，且可根据材料的玻璃转换外呢度确定有效的退火温度。

技术支持：

感谢NikhilKelkar,VirajPatwardhan和HauNguyen国际半导体对WLUF底部填充材料的工艺技术支持