封裝裝配技術(shù)所用材料的無鉛化

（天水華天科技股份有限公司，甘肅 天水 741000）

摘要：本文摘要敘述了無鉛化立法確定的最后期限、凸點(diǎn)成形工藝、晶圓片凸點(diǎn)成行電鍍技術(shù)、凸點(diǎn)下金屬化及可靠性問題和無鉛化材料的發(fā)展方向。從而說明，通過漏印板印數(shù)和電鍍和晶圓片凸點(diǎn)形成技術(shù)事例，證明可靠的無鉛化技術(shù)是合適的。

關(guān)鍵詞：無鉛，凸點(diǎn)成形，涂點(diǎn)下金屬化，電鍍，可靠性，晶圓片

1 引言

二十世紀(jì)九十年代后期，日本首先提出消除電子產(chǎn)品中的鉛。如今，歐盟通過嚴(yán)格的立法對(duì)這一主張進(jìn)行了響應(yīng)。鉛的毒性影響是眾所周知的，電子產(chǎn)品中的鉛的確可能對(duì)人類和環(huán)境構(gòu)成威脅，例如在填筑坑中，廢棄電子元件中鉛的滲漏，同時(shí)也關(guān)系到鉛礦的開采與加工；再者，在各累含鉛類元器件的回收再利用階段，有毒物的輻射也是個(gè)問題。然而，雖然正在研討的大多數(shù)無鉛替代物不會(huì)構(gòu)成與毒性有關(guān)的威脅，但是會(huì)造成別的不良影響。例如，升高的熔點(diǎn)意味著消耗更多的能量；另一方面，在某些狀況下，先進(jìn)的設(shè)備和新的回流焊曲線也許在較高的熔點(diǎn)溫度情況下，產(chǎn)生較少的功效。此外，還存在含銀錫鉛替代品的生態(tài)缺陷以及開采并叫公函貴金屬礦物所需求消耗的巨大能量等問題。

2 立法確定的最后期限

經(jīng)過多年的商討和發(fā)布六個(gè)提案之后，25個(gè)歐盟國(guó)家駐進(jìn)正在履行電子產(chǎn)品中前禁令的立法。規(guī)定截至2006年7月1日，歐洲市場(chǎng)上盛產(chǎn)的幾乎所有電子產(chǎn)品必須是無鉛的，包括信息及通信設(shè)施、消費(fèi)類電子產(chǎn)品、家用電器、各類工具（如果不是固定的）、照明期間和別的電子產(chǎn)品。

用于服務(wù)器、存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)器陣列系統(tǒng)和專用網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備的焊料中的鉛，不包括在此立法規(guī)則之中，最后期限到2010年止。另外，鉛含量高于85%的焊料除外。根據(jù)歐盟委員會(huì)的禁令，進(jìn)行了一項(xiàng)關(guān)于評(píng)定更進(jìn)一步的免除狀況（包括在當(dāng)今高性能PC處理器中使用的封裝中得到裝芯片的互連）等的研究。歐盟的鉛禁令在很多方面，如根據(jù)實(shí)際需求確定禁令指向范圍等，還有待完善。
歐盟的無鉛化立法將會(huì)影響全球的電子行業(yè)。此項(xiàng)立法成為別的國(guó)家相同立法的一個(gè)原型。例如，中國(guó)出臺(tái)了《電子信息常品污染防治管理辦法》，無鉛化的最后期限也是2006年7月1日。

如今，在通往無鉛化的征途上，要求在開展到裝芯片和晶圓片級(jí)封裝技術(shù)、SMT及波峰焊接技術(shù)方面進(jìn)行廣泛的材料研究和工藝鑒定。人們一直在不斷地調(diào)研用于板上到裝芯片和芯片規(guī)模封裝技術(shù)的合適的各種材料和工藝。

3 凸點(diǎn)成形漏印板印刷技術(shù)

凸點(diǎn)成形工藝過程要求實(shí)施覆蓋新的焊料材料的凸點(diǎn)下金屬化過程。接著，在溫度為高于焊料熔點(diǎn)溫度大約20℃的狀況下，通過回流焊完成印刷技術(shù)工藝過程，再進(jìn)行清洗和最后的凸點(diǎn)檢查。

凸點(diǎn)下金屬化(UBM)過程需要與新的焊料材料相符，并通過化學(xué)鍍鎳工藝來完成。按照次序在化學(xué)電鍍槽中處理晶圓片，接著，用鋅酸鹽進(jìn)行焊盤清洗，以便激活表面、鎳鍍層(5μm)和浸液金層?；瘜W(xué)鍍鎳凸點(diǎn)下金屬化(UBM)過程是當(dāng)今在世界范圍被使用的構(gòu)成良好的、高效率的過程。

焊料印刷技術(shù)需要細(xì)間距的漏印板、適合于細(xì)間距的應(yīng)用和最佳化印刷參數(shù)的焊膏。由焊膏供應(yīng)商提供的幾種適合的無鉛化焊料包括SnAg3.5、SnAgBiXX和SnCn0.9。用于低共晶錫鉛焊料替代品的主要選擇物之一為Sn955Ag4Cu0.5，在過程效率可與錫鉛焊料相比的情況下，進(jìn)行了成功的試驗(yàn)。刮板速度、漏印板擦拭要求和檢查決定了產(chǎn)量。獲得的典型的漏印板厚度為80μm，凸點(diǎn)高度大約為110μm。

熔化溫度方面的差異，就SnAgCu0.5而言，從183℃增加到了217℃，在回流爐的熱曲線中反映為從大約205℃增加到235℃。典型狀況下，為了確保最小的再氧化狀況，回流焊氣氛為氮?dú)狻?BR>
此外，為了確保高水平的過程控制，須采用自動(dòng)化光學(xué)檢查系統(tǒng)對(duì)凸點(diǎn)化的晶圓片進(jìn)行檢查。確保高的凸點(diǎn)質(zhì)量，使檢查次數(shù)最小化，而不是100％的檢查。最近的研究表明，形成凸點(diǎn)的專用試驗(yàn)裝置也許可滿足此要求。由于SnAgCu凸點(diǎn)的光學(xué)檢查會(huì)受表面光潔度的影響(與以前使用的SnPb焊料有光澤的表面相比較)，因此這一步驟更關(guān)鍵，需要高度重視。

盡管到目前為止對(duì)一些問題進(jìn)行了鑒定，然而成本計(jì)算已顯示出用SnAgCu0.5焊料代替用于FCOB應(yīng)用的SnPb焊料，也許會(huì)使凸點(diǎn)形成技術(shù)工藝的花費(fèi)低于應(yīng)用于高端生產(chǎn)的晶圓片50美元。

雖然技術(shù)方面的各種說明截止目前集中于倒裝片凸點(diǎn)形成技術(shù)，但是隨著細(xì)間距芯片規(guī)模封裝(間距大于0.5mm)的到來，采用漏印板印刷技術(shù)的焊料淀積法將會(huì)成為固態(tài)球形位置的合適的替代者。

4 可靠性問題

汽車電子領(lǐng)域高熔化焊料的需求也推動(dòng)了電子行業(yè)向焊料體系替代品的發(fā)展。這些新的焊料體系的可靠性問題成為需考慮的主要問題。由于SnAgCu焊料與SnPb37焊料相比，場(chǎng)應(yīng)力略高且疲勞延展性略低，故認(rèn)為SnAgCu焊料和SnPb焊料合金的疲勞壽命和失效機(jī)理幾乎是相同的。實(shí)際上，在疲勞壽命方面起著主導(dǎo)作用的是焊點(diǎn)的熱變化曲線和幾何圖形，而不是合金的組成成分。化學(xué)鍍鎳凸點(diǎn)下金屬化(UBM)過程不僅對(duì)SnPb37有優(yōu)越的剪切性能，而且對(duì)Sn95.5Ag3.8Cu0.7也具有良好的剪切特性。另外，在典型狀況下，下填充技術(shù)對(duì)疊層PCB上任何倒裝芯片產(chǎn)品的可靠性的要求，就是應(yīng)把大量的應(yīng)力從焊點(diǎn)中消除掉，這樣才能使壽命擴(kuò)大到所需要的范圍。

回流焊工藝有兩種：一種用于晶圓片上焊球形成，而另一種用于裝配。在通常情況下，兩種回流焊工藝都用于倒裝芯片加工工藝。Ni3Sn4是在化學(xué)鍍鎳凸點(diǎn)下金屬化(UBM)上，可同時(shí)用于SnPb焊料成形和SnAgCu焊料成形的金屬間化合物。對(duì)Sn95.5AgCu0.7焊料而言，在兩種回流焊工藝之后，金屬間的形態(tài)被稱作規(guī)則的和厚塊的。在升高的溫度狀況下，固態(tài)階段的老化技術(shù)特別適用于倒裝芯片應(yīng)用，在150℃和170℃狀況下老化1 000小時(shí)顯示，不僅對(duì)SnPb焊料，而且對(duì)無鉛焊料合金，轉(zhuǎn)化成Ni3Sn4的鎳的消耗量小于2μm。與低共晶焊料SnPb相比，Sn95.5Ag3.8Cu0.7焊料所消耗的鎳的厚度增加了一倍。而對(duì)Sn95.5Ag3.8Cu0.7和SnPb焊料而言，在170℃進(jìn)行老化，比在150℃時(shí)所消耗的鎳的厚度增加了四倍。

在150℃時(shí)高溫儲(chǔ)存2 000個(gè)小時(shí)之后，就焊料凸點(diǎn)的剪切試驗(yàn)產(chǎn)生的剪切力，Sn95.5Ag4Cu0.5焊料高于SnPb焊料。另外，不僅在溫度和濕度儲(chǔ)藏(85℃和85％RH)之后，而且在熱循環(huán)(40～150℃，循環(huán)1 000次)之后，Sn95.5Ag4Cu0.5焊料的剪切試驗(yàn)結(jié)果略好于SnPb焊料。再者，在大約40～125℃的循環(huán)條件下，使用Sn95.5Ag3.8Cu0.7焊料的倒裝芯片裝配的試驗(yàn)，與使用SnPb37焊料相比，其長(zhǎng)期穩(wěn)定性要好得多，而比傳統(tǒng)的SnPb37(大約55～125℃和55～150℃的循環(huán))焊料可靠性低。對(duì)這兩種情況而言，下填充物材料的選擇、焊劑殘留物的數(shù)量和實(shí)際的焊點(diǎn)高度將會(huì)決定哪種接觸類型更好實(shí)施。從而顯示出，焊料合金的選擇對(duì)產(chǎn)品的可靠性而言，僅僅是第二等級(jí)的因素。

目前正在考慮把純錫焊料應(yīng)用于150℃的環(huán)境中。在更高的溫度條件下，低共晶金錫焊料(Au80Sn20)或填加銀膠粘劑的狀況提供的溫度工作范圍多達(dá)200℃。

CSP封裝的接觸點(diǎn)通常無需進(jìn)行下填充工藝，預(yù)計(jì)無鉛焊料較大的機(jī)械回彈性會(huì)增加器件的壽命。然而，當(dāng)產(chǎn)生的應(yīng)力不是通過軟的SnPb焊料的蠕變?cè)诤噶贤裹c(diǎn)中釋放時(shí)，失效模式會(huì)在較厚的金屬間部位中從疲勞裂紋現(xiàn)象移到脆化裂紋現(xiàn)象，但是可借助于彈性無鉛焊料傳遞到所有的界面。

5 超細(xì)間距焊膏與無鉛焊料

為了確保印刷焊料的均勻，用于晶圓片形成凸點(diǎn)要求的焊膏為類型6(5～1 5μm)，因此，在回流焊之后減少了凸點(diǎn)高度的變化性。

與傳統(tǒng)的PCBs上SMT焊膏印刷技術(shù)相比，超細(xì)間距焊膏較小的微粒尺寸意味著較高的粘度，這可極大地影響適印性和免除漏印的焊膏狀況。擴(kuò)大了的表面容積配給量，可表明焊料合金增加的氧化度，因此在焊膏中氧化物含量較高。所以要求采用活化劑，并且回流焊工藝需要氮?dú)鈿夥铡?BR>
SnPb37焊料應(yīng)用于無鉛化第三代或第四代細(xì)間距焊膏是采用的相同的制造技術(shù)。無鉛化焊料的特性包括較低的剝離趨勢(shì)，這是由無鉛化合金和焊劑較低的密度差異造成的。

6 用于晶圓片凸點(diǎn)形成的電鍍技術(shù)

漏印板印刷技術(shù)的最小間距，目前限制在150～200μm范圍之內(nèi)。對(duì)有超細(xì)間距和較寬的凸點(diǎn)尺寸范圍的增加的互連密度而言，電鍍技術(shù)是最受歡迎的。應(yīng)用于此電鍍技術(shù)工藝的間距可小到40μm(如圖1)。對(duì)高I／O和高功率芯片而言，各類半導(dǎo)體的國(guó)際半導(dǎo)體路線圖預(yù)測(cè)，通常倒裝芯片技術(shù)使用的凸點(diǎn)間距從2002年的160μm減小到2010年的90μm和2016年的70μm。

電鍍技術(shù)工藝的凸點(diǎn)高度均勻度在±1μm范圍內(nèi)。這意味著從漏印板材料厚度和激光切割的精度方面的變化和從在漏印板開口中殘存的主要的焊膏殘留物兩方面看，使用電鍍技術(shù)比使用漏印板印刷可達(dá)到更好的均勻性。這里典型的變化在±7μm范圍之內(nèi)。

根據(jù)諸如凸點(diǎn)高度均勻性失效標(biāo)準(zhǔn)的確定，電鍍技術(shù)的效率損失在10-6范圍之內(nèi)或者更少，這比通過漏印板印刷獲得的好得多。因此，當(dāng)效率損失使漏印板印刷對(duì)這些芯片無競(jìng)爭(zhēng)性時(shí)，對(duì)高價(jià)值、大尺寸IC而言，電鍍技術(shù)也許是"低成本"技術(shù)。

電鍍技術(shù)的凸點(diǎn)下金屬化過程，是由在整個(gè)晶圓片表面上均勻地濺鍍Ti／W／Cu層和采用金屬板印刷術(shù)工藝過程來確定凸點(diǎn)焊盤構(gòu)成的。把額外的銅層進(jìn)行電鍍，在回流焊過程和形成金屬間化合物的熱應(yīng)力階段，通過焊料部分地完成電鍍。即從基于甲烷黃酸的溶液中用電化學(xué)方法把焊料金屬進(jìn)行淀積。因?yàn)殡婂児に嚨募庸r(shí)間依賴于凸點(diǎn)高度--與焊膏漏印板印刷工藝相反--電鍍工藝限制于較小的凸點(diǎn)高度 剝?nèi)ル婂冄谀Ｖ螅梦g刻工藝移去Ti／W／Cu凸點(diǎn)下金屬化(UBM)層。把在晶圓片上淀積的焊料進(jìn)行回流焊，以便形成球形的凸點(diǎn)，接著進(jìn)行清洗步驟，以除去有機(jī)殘留物。

通過對(duì)幾種無鉛化焊料的應(yīng)用實(shí)施及深刻的研究，SnPb焊料較佳的替代品為SnAg3.5焊料。此焊料具有某些特殊性能。由于高的標(biāo)準(zhǔn)電極潛在差異，銀比錫更易于淀積。因此需要針對(duì)銀離子的很強(qiáng)的形成洛合物劑的狀況，以防止其優(yōu)先沉淀。

根據(jù)SnPb雙相位圖顯示，焊料構(gòu)成方面的小偏差不會(huì)極大地影響熔點(diǎn)狀況。因而SnAg焊料的狀況則更具有關(guān)鍵性，甚至對(duì)低共晶焊料構(gòu)成加入少量的銀(3.5％)，也會(huì)導(dǎo)致熔點(diǎn)方面極大的增加。再者，研究表明，對(duì)銀含量為4％的情況而言，大的電鍍形體的Ag3sn金屬間化合物的增長(zhǎng)較高，這對(duì)互連可靠性來說是嚴(yán)重的問題。就電鍍而言，需對(duì)用于低共晶SnAg3.5焊料電鍍的電鍍槽和合金組成進(jìn)行非常嚴(yán)格的控制。另一方而，當(dāng)凸點(diǎn)下金屬化過程的銅電鍍?cè)赟nAg焊料中部分溶解時(shí)，已通過回流焊的凸點(diǎn)構(gòu)成了SnAgCu合金，并可受到回流溫度的影響。

與SnPb焊料相比，銅電鍍基底的消耗隨著SnAg焊料而增加。因此，不得不給電鍍銅提供合適的厚度。在工藝成本上，SnPb焊料和SnAg焊料之間不存在顯著的差異。(如表1所示)。

7 發(fā)展方向

漏印板印刷技術(shù)和電鍍晶圓片凸點(diǎn)形成技術(shù)的事例，捕述了用于高級(jí)互連技術(shù)的無鉛化替代品目前的狀況，從而說明可靠的無鉛化技術(shù)是可行的。盡管如此，在2006年無鉛化的最后期限前，實(shí)施這些工藝過程的時(shí)間會(huì)變得越來越短，各種無鉛化材料和元器件的供給仍然是關(guān)鍵性的問題，需要我們做出更大的努力。