（材料学专业论文）手动植球与rma焊膏的研制.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 电子工业发展的一个趋势是各种短、小、轻、薄的电子产品层出不穷，电 子制造业必须从两个方面来着手迎接这一挑战，一是开发出新的封装或组装结 构，另一个就是荽研制出适应电子产品小型化发展要求的封装材料。前者促使 b g a 球形阵列封装形式逐渐成为级封装和二级封装中的主流封装结构，后者 则推动了在电j 二组装领域中对高性能焊膏的研究。 本文首先针对中、小批量b g a 器件生产和返修过程中柔性化植球的需要， 研制出一种手动植球笔机构。( 该机构由偏心球座、手动拨杆、限位插销、漏嘴 和弹簧五个部分组成。由于采用了偏心结构，以及手动拨杆尺寸上的精度，它 能够史现焊球的单点手动植入，同时由于偏心球座上漏孔尺寸的设计，确保了 烨球能顺利地从笔中落下。该植球机构被用于激光植球的可靠性分析中。结果 表明，如果工艺参数不当，所植焊球很可能发生歪斜、虚焊，甚至被烧毁。而 对激光植球焊点的剪切强度测试显示，只要工艺条件合适，焊点的强度就能够 满足要求。，| 。 本文还研制出了一种新型的免清洗s m t 焊膏，并对其制作工艺进行了探讨。 i 要针对配方中的溶剂、活性剂、触变刺、成膜物质的性质及焊粉含量等因素 对焊膏性能的影响做了大量的对比试验，在此基础上制作的焊膏具有良好的印 刷、焊料球和抗塌落性能。焊点的剪切强度测试表明，该焊膏的剪切强度与市 场上普遍使用的阿尔法焊膏相当，具有较好的实用可靠性。北京金长科国际电 子有限公司对该焊膏在片式电阻、电容、l c d 及大焊盘元件焊接条件下的效果 进行了测试，各项指标均达到要求。对制作工艺的研究主要是对焊剂各组分的 添加顺序、保温温度和加热时间进行了探索，总结了一套完整的方案a 文中还 提出了大批量焊膏生产时所需的设备和条件。二_ 一 关键询：电予封装b g a 植球 s m t 。焊膏 、_ _ p 一一一 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e r eh a sb e e nat e n d e n c yi ne l e c t r o n i ci n d u s t r yt h a te l e c t r o n i cp r o d u c t si n a l l s o r t sw i l lb em u c hs m a l l e ra n dl i g h t e r t om e e tt h i st r e n d ，e l e c t r o n i cm a n u f a c t u r i n g i n d u s t r yh a st w oi m p o a a n ti s s u e st oc o n s i d e no n ei st oc o m eu o 、斩t hn e wp a c k a g e s t r u c t u r e sa n dt h eo t h e ri st od e v e l o pn e we l e c t r o n i cm a t e d a l sr e q u i r e d b yt h e m i n i a t u r i z a t i o no fe l e c t r o n i cp r o d u c t s t h ef o r r n e rc a u s e sp a c k a g e si nb g a c o n s t r u c t i o nt og r a d u a l l yb e c o m ead o m i n a n tp a c k a g i n gs t r u c t u r ei nb o t hl e v e lo n e a n dl e v e lt w op a c k a g e s o nt h eo t h e rh a n d ，r e s e a r c ho nh i g hp e r f o r m a n c es o l d e r p a s t e si ne l e c t r o n i ca s s e m b l yp r o c e s si ss t r o n g l yp r o p e l l e db yt h el a t t e rc o n s i d e r a t i o n i nt h i st h e s i s am a n u a lf l e x i b l es o l d e rb a l lb u m p i n gd e v i c ei sp r o p o s e da n d d e v e l o p e dt om e e tt h ed e m a n di ns m a l lo rm e d i u mv o l u m ep r o d u c t i o na n dr e w o r ko f b g ac o m p o n e n t s t h ed e v i c ei sc o m p o s e do fs o l d e rb a l lp e d e s t a l ，t r i g g e r , l i m i t i n g d o w e l d u m pn o z z l ea n ds p r i n g t h ee c c e n t r i cs t r u c t u r ea n dp r e c i s i o ni nt r i g g e rs i z e m a k ei tp o s s i b l ef o rs o l d e rb a i l st ob em a n u a l l ya n di n d i v i d u a l l yb u m p e d m e a n w h i l e t h es i z ed e s i g no fb a l lt h r o u g hh o l ei ns o l d e rb a l lp e d e s t a le n s u r e ss o l d e rb a l l st o s m o o t h l yd r o pf r o md u m pn o z z l e t h eb u m p i n gd e v i c ei st h e nu s e di nt h er e l i a b i l i t y a n a l y s i so fl a s e rb u m p i n g i th a sb e e np r o v e dt h a td e v i a t i o n b u r n i n go f fa n dw e a k b o n d i n go fs o l d e rb a l l sm a yb ec a u s e db yi m p r o p e rp r o c e s sp a r a m e t e r sa n do n c e t h e s ep a r a m e t e r sa r es e tc o r r e c t l yt h es h e a rs t r e n g t ho f1 a s e rb u m p e ds o l d e ri o i n t sa r e a c c e p t a b l e t h i st h e s i sa l s oc o v e r st h er e s e a r c ho nf o r m u l a t i n gan o v e ls m ts o l d e rp a s t e t h ef o c u si sc o n d e n t r a t e do ne f f e c t so fd i 往b r e n ts o l v e n t s a c t i v a t o r s t h i x o t r o p i c a g e n t s ，r o s i n sa n dp r o p o r t i o n so fs o l d e ra l l o yp o w d e ro nt h ep r o p e r t i e so fs o l d e rp a s t e t h es o l d e rp a s t ed e v e l o p e di sc h a r a c t e r i z e db yi t sh i g hp e r f o r m a n c eo fp r i n t i n g ， s o l d e rb a l l i n gi m m u n i t ya n ds l u m pr e s i s t a n c e i ti ss h o w ni ns h e a rs t r e n g t ht e s tt h a t t h es e l f - f o r m u l a t e ds o l d e rp a s t ei ss i m i l a rt ot h ep o p u l a r l yu s e da l p h ap a s t ew h e n s o l d e ri o i n ts h e a rs t r e n g t hi sc o n c e m e d t h eb e h a v i o ro fs o l d e rp a s t ei nc o n n e c t i n g c h i pr e s i s t o r , c a p a c i t o r , l e da n dl a r g ep a dc o m p o n e n t sw a se v a l u a t e db yb e i j i n g g k ie l e c t r o n i c sc o ，l t da n dn of a i l u r ew a sf o u n d t h ef o r m u l a t i n gp r o c e s s i n c l u d i n ga p p l i c a t i o ns e q u e n c eo fi n g r e d i e n t so ff l u x ，t e m p e r a t u r ea n dd w e l lt i m ei n h e a t i n gi sa l s op u tf o r w a r d i nt h ee n d ，s o m en e c e s s a r ya p p a r a t u sa n dc o n d i t i o n s r e q u i r e df o rl a r g ev o l u m ep r o d u c t i o no fs o l d e rp a s t ea r es u g g e s t e d k e yw o r d s ：e l e c t r o n i cp a c k a g i n g s m t b g as o l d e rb u m p i n gs o l d e rp a s t e i i 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 随着电子工业的飞速发展，各耪新型封装形式、封装结构和鸷装材料不断 涌现。在毅的封装形式方霾，壤搬阵列技术因冀生产效率毫、可靠性好、封装 露积小、电气性能优蹙等特点蔼得到广泛地采帮，逐澎成为当今电子封装技术 发展的主流。在封装材料方面，电子封装中最重要的- s e e 封装材料就是焊膏， 随着各种缅问距元件以及0 2 0 1 等极细小的片式元件的出现，焊啻盼睦能亦需要 相应地改善。本章将针对上述两方颟问题做一综合贪绍。 l 。ib g a 技术与植球 多年以来，四面扁平封装( q u a df l a tp a c k a g e ，q f p ) 等四边有引线的封装技术 彦以其成本低、效率离的优点广泛应用于半导体器件与电路的二级封装，丽 绂封装则基本上是以引线键台技术( w i r eb o n d i n g ，w b ) 为主导。微电子技术的 发震，怼封装的结构提出了更高的要求：一方醋集成电路芯片上集成的功能越 来越强大，i t 0 引出端越来越多，另一方面芯片面积越束越小，封装体也淹之越 求越小，无论是：签片级的封装，还是对封装体的二级组装，都同样面临蓿溉耍 微型化又要保持器件商性能、高可靠度的矛盾。在这种背景下，引线封装的方 式就遇到了性能与组装题方嚣的重大障碍，例如，为了适应i o 数不蛭增长的趋 势， 主往不得不将q f p 傲褥很大，或者缩小引线湖题，当引脚闯距菲常，j 、的时 候， 脚容易发生弯曲、变形甚至折断，给组装过程带来诸多不便。这就造成 封装性能的降低并使制造成本越来越高，所以靠迸一步减小引脚的间距以增加 输出端的数量已经非常困难。摄然，传统的以引线 乍为信号传竣路径的封装形 式已经不韪漾足电子封装和鳃装技术发展的需要l lj 。 球栅阵列技术( b a l lg r i da r r a y , b g a ) 是近凡年孝出现并迅速发展起来的新型 的封装形式，它既可以用于二级封装，也可以硝予一缀封装。二级封装中的b g a 技术，一般是在封装体的彗板底面连接着作为i 0 引出端的焊球阵列，在基板的 另一面则贴装集成电路芯片，然后通过表面安装技术( s u r f a c em o u n tt e c h n o l o g y , s m t ) ：i q - 基板贼装到印刷电黯板( p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ，p c b ) 上。b g a 技术应蹋予 缀封装( g p 芯片缎封装) 则是顺应了倒装芯片技术( f l i pc h i p f c ) n 芯片尺寸封 装技术c h i ps c a l ep a c k a g e ，c s p ) 发展的需要，它使得芯片和封装的面积逐步缩 小，信号传输速度及抗干扰性能也得以提赢，因而成为现今封装爨迅速酱及的 神先进封装方式，并有逐步取代引线键合技术的趋势。 华中科技大学硕士学位论文 l 。1 。1 二级封装中的b g a 技术 所谓二级封装中的b g a 技术是指利用b g a 焊球作为封装件与印刷电路板 之i 、日j 的连接点，即p c b 级剐的组装过程。b g a 烊球阵列的应用，取代了原来的 锅或者合会雩l 脚，两曼较之要便宜，瞧j # 常逡应s m t 生产技术的要求，因扰各 大芯片嚆4 造公司纷纷将引脚阵列封装( p i ng r i da r r a y , p g a ) q b 的攒针用焊球来代 替。媳型的b g a 焊球阵列间距为1 0 r a m 、1 2 7 r a m 、1 5 m m ，烨球的成分主要 有6 3 s r d 3 7 p b 和9 0 p b 1 0 s n 两种，而所采糟的诨球直径则各个公司不尽相同。这 一级别韵b o a 具有多耱不同翡结梅形式，根据封装 孛所灞基底树料鼢不漆般 可以分为：陶瓷球栅黪到封装( c e r a m i c b a l l g r i d a r r a y ，c b o a ) 、塑料球栅障列 封装( p l a s t i cb a l lg r i da r r a y , p b g a ) 、载带球栅阵列封装( t a p eb a l lg r i da r r a y , t b g a ) ，现分别简要介绍如下。 1 1 1 ic b g a 封装 c b g a 封装以多屡羯瓷材料作为基底榜睾喜，图li 示意逑表示了具有1 2 7 m m 弓f 黪蚓距的c b g a 元件的结构引，其中作为基底舱是氧化铝陶瓷片，它使整个 封装件的机械性能和散热性能得到了提高，1 9 6 个直径为0 7 6 r a m 的焊球以1 4 x 1 4 的方形矩阵的形式穑于陶瓷片的底面。硅晶片粘结在陶瓷基片上，通过导线键 合样将信号弓i 入稿应豁焊球，晶片用镉帽傈护。 1 一一 “ i 羹蹙 j 2 7 r a m 了0 黜 1 一h 一 il 21 5 9 f 豳t 1 獒褒的c b g a 器裁 华中科技大学硕士学位论文 在进季亍二缀缎装时，c b g a 元件麴噶瓷基底与f r 一4 印制电路板豹互连辫点 般是通过9 0 w t p b 1 0 w t s n 姆球与其周围的3 7 w t p b 6 3 w t s n 共晶焊料共 同形成的。在焊料回流的过程中，焊球因熔点高( 约2 9 0 。c ) 不熔化，而共晶焊料 ( 熔点t 8 3 ) 弼会熔化，从而将霹球包在焊点中。由于霹球越虱了刚性支撑的作 嬲，蹶以c b g a 嚣 牛与p c b 之剃熬润隙较大。想1 2 鼹示为一辩常见数c b g a 二线封装结构图，球与球的恻距为1 2 7 m m ，陶瓷基底的尺寸在1 8 - 4 0 m m 2 ，g l 脚的数量为1 9 6 6 2 5 ，在僳护帽上装有散热片。由于陶瓷基底与p c b 之间的热膨 胀系数( t h e r m a lc o e f f i c i e n to f e x p a n s i o n ，t c e ) 差髯很大，在热循环时，封装体尺 寸较大蛉c b g a 中熬焊点会鑫予受到缀大熬羹拐应力嚣产生失效，这是采眉 c b g a 最大的不足。 圈1 2- - e o 常_ l j 的c b g a _ 二级封装结构的削面斟 为了建孚决上述t c e 失配的闻题，焊点的结构褥到了一定的改进。图1 3 显 示的c b g a 器件使用了两种不同的焊点连接方式：一种是在2 8 2 8 r a m 2 陶瓷基 片或更小一点的陶瓷基片上采用球形焊点，焊点的结构与前面所述相同；另一 种是燕3 2 3 2 r a m 2 以及更大的陶瓷基片上采嗣成分9 0 w l p b 1 0 w l s n 的拄形霹 点，拣为s c c ( s o l d e rc a r r i e r c o n n e c t i o n ) 或陶瓷柱形鄹搀赡列鲥装( c e r a m i c c o i u m ng r i da r r a y ，c c g a ) 。采用较高的柱形焊点连接的原因是它的顺从性较 好，可以适应较大的陶瓷基片的变形，大大降低了前述陶瓷基片与环氧树腊印 制电路钣之闯由于热膨张系数不嗣而产，主的翦切应交“，但是该结构在缰装过 程中容易受到枫城损伤”。 华中科技大学硕士学位论文 1 1 1 2p b g a 封装 图1 3 采削两种焊点结构的c b g a 器件 p b g a 是最常用的b g a 封装类型，其基底是普通的印制板基材，如f r 一4 、 b t 树脂等。典型p b g a 结构如图1 4 所示，晶片与树脂基底上面的焊盘通过金 线键合焊互连，通过印刷铜导线和过孔将基底上面的键合焊点引到基片底部的 焊盘阵列，然后印一层阻焊层，将焊球与焊盘阵列焊合而形成球栅阵列，最后 将晶片和蹙底用塑料模压密封起来。塑料模压密封有两种形式】：单边塑料模 i i 和全塑料模爪，大部分的p b g a 采用单边模压方式，而后者可以防止边缘吸 湿而减小湿度对p b g a 电性能的影响，但这种方式不适用于厚度小于0 4 m m 的 薄基底。在基底下表面连接的共晶组份( 6 3 s n 3 7 p b ) 焊球的尺寸通常为o 7 5 08 9 r a m ，焊球删距有1 0 m m 、1 2 7 m m 、1 5 m m 几种。 馆子i 孔 晶尊计康镀由日 之摹主奉恕 i， 1 l l i 7 破芦 烊屡 b r 埘惜鑫威：孔件热 二抖城 图1 4 典型的p b g a 结构的正直截面幽 ， p b g a 可以用现有的s m t 设备和j f 艺进行组装，即首先通过模板漏印的方 j 弋把其品组份焊膏印刷剑相应的p c b 焊盘上，然后把p b g a 的焊球对应压入焊 啬并进行【叫流焊，斟漏印采用的焊膏和p b g a 封装体的焊球均为共晶焊料，所 以在网流焊过程中焊球和焊膏共熔，在器件重量和表面张力的作用下，焊球坍 华中科技大学硕士学位论文 搦佼器件疯部和p c b 之闻静阍豫减小，焊点固化后篷稀球形。由于基底所丽材 料是印制板基材，盔缳裴件中p c b 和p b g a 基底的热膨账系数运乎提爨，露诧 在回流焊过程中对焊点几乎不产生应力，对爆点的可靠性影响也较小。p b g a 最 大的不足在于其塑料基底会吸潮，回流焊时潮气迅速蒸发而产生很大的压力， 造成内帮歼裂，称为“瀑米花”效应。 l 。1 。1 3t b g a 封装 t b g a 封装的基底材料为镁聚酸嫂胶镊双金属屡带，躅1 5 显示静是 t b g a 封装结构简图，它采用了载带自动键台( t a p ea u t o m a t e db o n d i n g ，t a b ) 区 域阵列技术。t b g a 的基底为双面金属复合带，一面是作为良好的屏蔽层的底层， 褒它上瑟有由9 0 w t p b 1 0 w t s n 焊球组成的球栅阵列；另一面粥作为信号传输 的通路，电集成电路晶片通过9 5 w t p b 5 w t s n 焊球连接，其阕充填树器以减 小热鹿力。同时，在这一面还用胶连接着一个支撑物层，用于绘封装体提供刚 性和僳证封装体的共面性。在倒装硅片的背颟一般用导热胶连接着散热片，以 便给封装体键供良好的热特馁。这种封装的总高度菲常低，仅1 5 m m ，电特性 秘热特性瞧； 常好。t b g a 主要黪予专鼹集成电路帮微处理器芯片。 幽1 ，5t b g a 封装结构简剧 在述三种b g a 的封装形式中，品片与罄底箭逡接溉可以采甬传统的引线 键会方式，也o 以采期倒装芯片方式，后齿比静者具有燹裹款互连密度秘更好 的电性能。三种方式在实际应用中备有其优势与不足，酶已述及，p b g a 封装中 焊点所受的剪切应力较小，有利于焊点可靠性的提高，但在加热过横中容易形 戎“藤米花”臻象；丽c b g a 显然不容易吸潮，但是陶瓷基板与p c b 板的热膨 胀系数差别较犬，焊点所受斡夔切应力较大，对焊点的哥靠性产生不利的影稍。 因此庄实断使用时，应浚根据器件的使用环境和对器件可靠性的具体要求， 综合二l ：艺和成本条件，选择适当的封装形式。表1 1 中对各种封装形式的性能做 了基本的比较 2 l 。 华中科技大学硕士学位论文 表1 1 各种封装形式优缺点的比较 优点缺点 基扳与p c b 的热膨黢系数翱差较大，热 共面性好；焊点容易成形：对湿气不敏匹配性较麓，焊点容易发生热疲劳；封 c b g t k 感；封装密度高。装俸边缘的霹球对准困难：封装成本较 赢。 与p c b 板的热匹配性较好：对焊球的 p b g a共茬瞧要求较竟裣；残本较低；安皴对容易暖潮 焊球摊残能密瘦不及c b g a 。 较容易对准。 与p c b 板的热匮配性总体上较好：安对湿气敏感；对热敏感；不同材料的多 t b g a 放时枣易对准：成本最低。 元聚合对霹靠性不剥。 1 1 2 一级封装中的b g a 技术 在传统的晶片级封装中，晶片都是采用导线键合的方式作为网基扳传输信号 的通i 踅，如图1 6 所示。s l 线键合实际上是一种固态下的焊接技术，在这种方法 中，通过搬热、趣压或者麓攘超声波能量懿方式，镬金藩引线( 一般为金丝) 与 晶片袭面的焊盘金属发生紧密接触，从而形成焊接后的互连结点。可以想象， 随着晶片的面积越来越小，弓i 线越来越多，弓i 线之间的间距会不断躐小， i 线 键合设冬的毛细管姆接头或考楔形劈刀也要楣应变锝更小，同时对设备鲍糖度 也提出了更高的要求。另外，众多的引线都是信号的额外传输通道，必然造成 信号豹延迟。辨以慈酶看来，引线键合技术粪有秘当大的瑟疆j 凌“。 图1 6 引线键合封装 为了进一步缩短信号传输的通路并减小信号延迟的时间，同时适应晶片不断 小型化的发展趋势，b g a 技术又被应嗣蓟晶片级豹一级封装领城，这就怒饲装 6 华中科技大学硕士学位论文 芯片技术。所谓倒装芯片是指芯片的有源面朝下，球形焊点阵列直接将芯片上 豹焊嚣积鏊板上静浮盘连接莛寒。癌予i o 弓| 密灞分布子整个芯片表螽，故在封 装密度和处理速度上已达到顶峰，特别是它可以采用类似于s m t 的技术手段米 加工，故倒装芯片技术是高密度安装豹最终方向。图1 7 示蹴了一种典型的倒装 芯片缝构示意图。 倒装芯片技术需要经过下列些步骤：晶圆表面的处理、形成凸点下金属化 蒺( u n d e rb u m pm e t a l l i z 蕊0 1 2 ，u b m ) 移凸点阵列、通过溽料晶点的回流使晶圆与 纂板连接、底部填充并固化。有关凸点阵列和凸点下金属化层的作用与结构甥 在下一节介绍，这里只对底部填充工艺作简要说明。底部填充工艺愁倒装芯片 技术鬓特套购，主要是为了提瘫焊料凸点魏霹靠瞧l l “。众所周期，残器俘涎热 膨胀系数小于3 p l s m 。c ，而有机印制线路板的热膨胀系数在1 8 5 0 p p m c ，因 就在每一热餍黟中，印制板的膨涨和收缩率要眈醚器件大许多，从丽使两者之 蚓的姆料凸点发生变形，出现机械硬化期脆化，产生严重的热机披应力和疲劳。 如果在例装片和印制电路板之间注入底部填充材料，当它固化后，会限制印制 投秘礁片豹移动，减缓凸点上浆应力，从嚣提高了凸点懿可靠 雯。残部壤充榜 料必须是一种相对较硬的、高模数材料，其热膨胀系数应当接近焊料凸点的热 膨胀系数，若底部填充材料的t c e 过高藏过低，就会产生垂直应力l l “。目前， 在倒装芯片组装中，多数底部填充燃料被设计为舆有最佳滚动。黢、最小热膨账 系数，固化时间约为3 0 m i n i i “。 图1 7 倒装芯片结构示意图 隧着i c 集成度的提离和i c 设计技术的进步，人们不但要求进一步提赢鸷 装效率，而且希疆能最终接近醚集成电路晶片的本征传输速率。在这种背景下， 一般黪b g a 鸷装篷被逐澎视爻一静尺寸较大戆舞装形式，嚣秀它豹骜装面积毙 芯片面积大得多，仍然无法完全满怒上述要求，而芯片尺寸封装技术c s p ，又 称g b g a ，剜解浃了这一闽题。芯片尺寸封装与普通b g a 的封装方式相同，但 球的蚓距已经减小到e 5 m m ，因此它鲍封装步 壳黪西积可以等于或路大予裸芯 片面积，一般前者不超过聪者的1 2 倍 l ”i i “。图1 8 所示为日本三菱电气研究出 的一释芯片覆积封装蔷菝一l ：i 。1 静翁装结构，萁封装辨形足寸哭眈糅芯片大一 华中科技大学硕士学位论文 点点。也就是说，单个i c 芯片有多大，封装尺寸就有多大，从而实现了真正的 芯片尺寸封装。 c s p 封装顺应了大规模集成电路芯片引脚不断增加的趋势，同时解决了i c 裸芯片不能进行交流参数测试和老化筛选的问题；采用c s p 封装技术后，封装 面积可以缩小到b g a 的1 4 至1 1 0 ，延迟时间缩小到极短，封装体的寄生效应 也减到最小l ，因此其电性能和裸芯片最接近。c s p 是当今封装尺寸最小的大规 模集成电路元件，是单芯片封装的最高形式，它的出现使s m t 焕发出了新的活 力。 ( a ) c s p 封装结构 1 1 3 植球技术 ( b ) c s p 内部结构 幽1 8一种c s p 封装结构 i u 已述及，b g a 作为种高效、高可靠的封装技术，在一级封装和二级封 装领域都得到了广泛的应用，其核心就是如何在品圆或者基底上形成焊料凸点 2 0 l l 引1 ，目日u 已经出现了多利，形成焊料凸点的方法。另外，为了促进b o a 凸点在 回流焊过程中形成良好的焊点，还需要考虑如何提高润湿性和可焊性，以及如 何控制焊点中会属扩散的问题，所以b o a 凸点在结构上具有一定的特殊性。下 面将对t 述问题分别做一说明。 1 1 3 1b g a 焊料凸点的结构 一级封装的b o a 焊料凸点不能直接与晶圆上的a 1 焊盘结合，故需要在两 者之刚形成一个连接的中介，凸点下金属层u b m 的作用就是对晶圆上的焊盘金 耩表面进行一一定的处理，既促进焊料凸点形成互连，又对焊盘金属进行保护。 u b m 是一种多层薄膜结构，通常包括j 层： 华中科技大学硕士学位论文 1 连接和扩散阻挡层：其作用是防止焊料凸点金属向焊盘金属的扩散1 2 “，同时 又要与焊盘金属和晶圆表面的其它钝化层形成坚固的结合。这一层的典型金 属为n i 、c r 、t i ，w 等，其厚度为0 1 5 0 2 1 a m ； 2 ，焊料润湿层：这一层主要是提供一个焊料凸点可以连接的表面，典型金属为 c u 、n i 、p d 等，其厚度为1 5 9 m ： 3 氧化阻挡层：该层主要作用是防止焊料润湿层的c u 等金属发生氧化【2 ，典 型金属为a u ，其厚度为0 0 5 o 1 p m 。 u b m 一般可以采用溅射、蒸发、化学镀的方法生成，前两者在生成了u b m 金属化层后，还要用光刻工艺将多余的u b m 层刻蚀掉，只留下在a i 焊盘上的 部分；化学镀一般是针对n i 金属层，在镀镍之前还需在a l 焊盘上镀一层锌， 以防止因a l 氧化而影响镀层质量。图1 9 所示即为化学镀n i 的基本过程。 图1 9u b m 结构示意图 在二级封装中，常常在印刷电路板的铜焊盘上电镀一层p b s n ，这一方面是 为了防止铜氧化，另一方面也是为了给焊料凸点提供可焊基体，提高可焊性。 另外，也可以电镀n i a u ，以提高p c b 耐磨、耐氧化的性能。 1 1 3 2 主要的植球方法 前已述及，高i o 引脚数和芯片尺寸的减小使引线封装的方式越来越难以实 现，而b g a 技术则通过在整个芯片或者基底表面以大间距铺设焊料凸点的方式 解决了这个难题。表1 2 中所列出的是制作焊料凸点的常用工艺方法。凸点工艺 基本上可以分为三种类型：( 1 ) 直接在焊盘上形成凸点；( 2 ) 在焊盘上沉积焊膏： ( 3 ) 转移预制的焊球。这三种方式都可以用于一级封装，而二级封装中b g a 的植 华中科技大学硕士学位论文 球则多采用预制焊球转移方式。虽然这些方法都得到了广泛的应用，但仍然有 很多不足，例如凸点的间距受限、产生污染环境的化学废物、操作成本高等。 表1 2 典型的b g a 凸点制作工艺 类别示例 形成凸点汽相沉积法、电镀法 沉积焊膏模板印刷法、焊料喷射 转移焊球粘点技术 1 1 3 2 1 金属掩模蒸发技术 这种方法是把钝化晶圆安放在一块薄的m o 掩模下，掩模与晶圆靠弹簧紧密 地央在一起，然后按下面的步骤在晶圆的焊盘金属上形成u b m 金属化层：首先 蒸发一层阻挡金属，如c r 、n i 等；接着蒸发阻挡层金属与c u 的混合渐变层， 以防止在再流焊过程中阻挡层与可焊金属层发生脱离；然后蒸发金属c u ，以形 成可焊金属层，之后为了防止c u 氧化，还要在c u 上闪镀一薄层a u ；接下来就 是蒸发p b 、s n 焊料金属，由于p b 的蒸气压高，所以先沉积p b ，然后是s n ，最 后在h 2 炉中进行再流焊，在这一过程中p b 和s n 会均匀混合并转变为球形，从 而实现凸点的制作【2 ”。金属掩模蒸发技术需要非常精确的对准，而且当凸点非 常小时，不太适合用厚的金属掩模来制作，另外s n 含量很高的焊料( 如6 3 s r d 3 7 p b 共晶焊料) 蒸发很困难，也不适合采用这种方法。图1 1 0 示出了金属掩模蒸发技 术的工艺流程。 图1 1 0金属掩模蒸发植球流程示意图 4 1 0 。 华中科技大学硕士学位论文 1 1 3 - 2 2 电镀凸点植球技术 这是最常用的凸点制造技术，其工艺流程如图1 1 l 所示。该技术一般是与 光刻技术结合在一起使用，它在蒸发沉积各层金属时不使用掩模，沉积完之后 用光刻胶显影的方法确定要制作焊料凸点的位置，然后在镀槽中电沉积焊料， 最后去除光刻胶，并以沉积的焊料凸点作为“掩模”刻蚀掉多余的u b m 沉积金 属。该方法最大的优点在于所有的凸点可以同时生成，满足了大规模连续式工 业生产和超高密度封装的需要，同时可以不受基板尺寸的限制，其费用也较低。 但是，该工艺最适用于定型产品，对于各种各样的植球要求，往往需要在转换 产品时花费大量的时间来调整设备，缺乏灵活性。 ( e ) 巡壶鲞型! 譬( f 焊料回流 封蚀砚 a 堰 一 图1 1 l电镀凸点植球示意图 1 1 3 2 3 印刷凸点 这种方法实际上就是s m t 工艺中的丝网印刷技术2 5 1 1 2 6 】【2 7 】【2 8 1 。众所周知， 精密丝网印刷的分辨率一般在o 3 。0 4 m m ，低于o 3 m m 时会带来许多缺陷，而且 l l 华中科技大学硕士学位论文 采用该方法印刷群料凸点的闻距通常为0 2 5 4 m m 和0 3 0 4 m m ，这就对丝网、刮 刀及嚣l 剥橇等提出了羹毫豹要求，晷蓠印尉鼓点最，j 、靛溜距楚e 1 5 m m 。侄是， 凸点印刷技术却是成本最低的一荦孛植球方式，露照产量 # 誊可观。图1 1 2 联示 为凸点印刷技术的示意图。图1 1 3 所示则为实际的凸点印刷照片。 闰1 1 2 模板印制凸点植球示意图 焊料球焊料印刷 图1 1 3 实际的印刷凸点槌球工艺 华中科技大学硕士学位论文 1 1 3 2 4 喷射凸点 喷射凸点又称会属喷射技术( m e t a lj e t t i n gt e c h n o l o g y ，m j t ) ，是一种创新的 焊料凸点形成技术。它借鉴了计算机打印技术中广泛使用的喷墨方法，使熔融 焊料在一定压力作用下形成连续的焊料滴，然后通过静电控制，使焊料微滴精 确地滴落在所需位置。该技术制作焊料凸点具有极高的效率，喷射速度可高达 4 4 0 0 0 滴秒，j f 有望成为一种工业标准。 1 1 3 2 5 焊球转移技术 这种技术是通过适当方法将已预制好的焊球转移到焊盘上，而不是在焊盘 上生成凸点，其中一种有代表性的是“粘点”技术f 2 9 j 1 3 0 i 。粘点技术具有如下潜 在# , j o t 势：( 1 ) 与所用的任何会属合金和热塑性成分兼容；( 2 ) 不受所用的凸点下 会属层u b m 的影响；( 3 ) 产量高；( 4 ) 清洁：( 5 ) 删距小；( 6 ) 成本低。 剀i1 4 粘点技术的i ：艺流榉 图1 1 4q 概括地绘出了粘点技术的i 艺流程：首先在聚酰亚胺承载膜上涂 华中科技大学硕士学位论文 覆一层专用的光敏聚合物粘接层( p h o t o p o l y m e ra d h e s i v e ) ，这就是所要的粘点膜； 然后将一个发光器( p h o t o t 0 0 1 ) 筲予涂瑟之上，使涂层暴露于一定荆量的綮外辐射 之中，没意竣紫终光照慰到蛉区域仍保持糙性，羧熙魅戮的魁失去鹣洼并交疆， 于是就在粘接层上：形成了粘点阵列，该阵列与礁圆片上焊盘的图样致。烬球 被粘点固定住，多余的或不必要的焊球町用机械方法去除。焊球放置好后就可 与硅搿片对准了。在对准之前，先嗣埠蒯对焊球或磁圆片进行一下处理，然后 露熔焊球与焊盘对准，隧后臻低已款嚣好焊球豁糕点貘，傻之与硅嚣片接触。 再流焊过程使焊球从粘性膜上脱落面与爆盘发生冶金结会，砖髯滤焊完成感移 去聚酰亚胺层，整个过程至此结束。 以上主要对b g a 及丰赢球技术做了简单的介绍，从中不难看出，从引线封装 到球搬阵列封装数确是电子封装镢域憝一次蓬大变革与一毪越。正是由于在封装 上的这一转变，使集成电路芯片向更大娥模、更裹可靠性秘更小葱积的发展残 为可能，从而大大推动了电子技术的进步。 1 2 电子封装材料一焊膏 焊膏怒电子生产中重瑟韵消耗材料。在徽电子封装浑接中，它怒到了固定 元件，促进焊料澜漏、! 毒除拔焊表嚣氧化甥霹杂矮、防止表露群次氧讫、形成 牢周冶会结合筹作用。目d l ，电路板上的微型芯片、元器件等，绝大多数是鼹 * l ! 舀通过s m t _ 芝焊接上去的。在未来相当长时间内，s m t 将是电子组装行业 的主流技术，而浮善 印利刚是s m t 的第一道工洋，它影响着后续的贴片、再流 焊、潼沈、测试等f 皂予缉装工艺，基接决定蔫电予产品懿质蓬及可秦性。随着 通信设备、电子计算机、家用电器等典型电予产品向超大规模、集成化、数字 化、微型化方面发展，超细间距引脚( 一1 、 i 剀25 偏心球庠剖面结构示意剀 心乡 仙 珍 a l 钐 y 沙 沙 彳 匕彳 幽2 6 渊嘴结构剖面示意幽 华中科技大学硕士学位论文 2 2 激光植球可靠性和缺陷的研究 将激光用于植球，是因为激光有许多独特的优点： 1 激光可以做到只对焊点周围的局部区域加热，例如典型的激光光斑直径为 0 ：0 2 5 01 n l m ，因此激光焊接的热影响区很小，可以避免对相邻元件和电路 的伤害。 2激光加热集中，升温迅速，每一个焊点的形成只需要0 0 5 0 3 0 秒，显著减 少了会属侧化合物可能形成的时间，有效地抑制了焊点的脆化，还可防止电 路板的翘曲，使焊点应力降低，而传统的再流焊方法都是采用整体加热，电 子绢装件墨较长时刚地( 3 0 6 0 秒) 整体暴露于再流焊炉的高温中，一些元件 在这样的环境中容易被损坏，n g 属问化合物有充分的时间生长，接头的 脆性增加。 3 激光植球不需要使用专用的模板，简化了传统的植球工艺，而且可以实现单 点植球，因此它是一种柔性植球技术，对中小批量b g a 器件的生产和返修 j 亡其适合。 如同 失效 本符 的形貌，并获得了_ 些可靠性实验的结果。 2 2 1 激光植球的可靠性研究 l 复实验苜光在印制电路板上涂一层焊剂，焊剂的具体配方见表2 1 ，然后采 用前述的手动植球笔将焊球放置在焊盘上，通过焊剂的粘性来保持焊球位置的 稳定，准备一 作做先后，根据焊接要求，调整激光器的电压和脉冲宽度进行焊 接。之后采用应变片横向剪切焊球，通过应变仪放大，在已录仪上记录下数据， 试验装置如图2 7 所示。实验中主要检测了目测形貌明显育差异的几类焊球，结 果如表2 2 所示。 表2 1 配制的焊荆成分 1 磊1 鬲百f 乏磊_ 正百1 j r 鱼壁! 堑! ! ! ! ! ! ! 一三l 是和。陷但陷义缺。缺意种高生导各提产指了的会有到大免具察很难，观了也础，有球基究 性植的研 靠光究础 可激研基，术些 化当技一 简不球了 岂择值做 工选光况 的艺激情 球工行效 植果进失使如是和甩，究陷 采样研缺的一的的光术题中激技问球，眯些桃见值这光可的于激 此它对对山陵一。针 华中科技大学硕士学位论文 图2 7 激光檀球剪切应力实验装筵示意瞄 筑表2 ，2 中可以发现，焊球表现出以下三稀不同的应力永平： ( 1 ) 焊接良好躲焊点：此时激光能爨适当，妇激光器脉宠8 m s ，电压5 2 0 v ，冀挥 球岽被剪切掉，用 本示恩微镜观察焊球的形貌，可见焊球与焊盘焊台完整( 妇 图2 8 所示) ，焊盘上则留下了与激光束斑赢径大小相应的小熔池坑( 如图 2 9 ) 。 ( 2 ) 受到熬损伤静辫点：絮柒激光絮能鬃过大，翅激光器黥宽为8 m s ，窀压5 4 0 v ， 焊纛烙受到激光热量的损伤，从丽划弱焊擞与印制电鼹板的结合力，导致在 剪切应力测试中，焊盘连同焊球一起被拉掉( 如图21 0 所示) 。 ( 3 ) 虚群焊点：如果激光能蓬不足，如激光器脉宽2 m s ，电压5 0 0 v ，则焊球只与 浑蠹发生脆弱的连接，在剪切嶷力测试君，宏观麓测可戳看到浑盘上留下了 一个小熙坑，表明焊球共寒与烬盘形成完熬的冶金结含( 如图2 1 l 所示) 。 幽2 8 个焊接昆好的焊球图2 9 激光焊詹留卜_ 的熔池小蟪 2 4 亏础 华中科技大学硕士学位论文 幽2 1 0 焊盘被剪切掉后留下的痕迹 2 2 2 激光植球的缺陷 图2 1 1虚焊焊点剪切后在 焊盘上留下的痕迹 如果激光束的能量非常强，如激光器脉宽为8 m s ，电压5 4 0 v 时，将引起周 围空气流产生瞬间的冲击，那么可能产生一些不利的现象，如焊球被焊歪( 如 图2 l 2 ) 、焊盘翘起( 如图2 1 3 ) 、过强的激光能量将焊盘烧坏( 如图2 1 4 ) 、激 光入射位置偏离时将焊盘烧坏( 如图2 1 5 ) 等。这说明激光器的功率、激光束的入 射位置等因素与焊接结果的好坏有很大的关系，应采取措施减小它们的不利影 响。 对植入的焊球进行微观金相观察，还可以发现上述三种可靠性水平下微观 金相的差别。图2 1 6 和图2 1 7 所示为焊接良好的焊点的金相显微照片，从图中 可见铅锡焊球与镀镍的铜焊盘之间形成了良好的润湿，产生的金属间化合物的 条件也比较有利。在未剪掉焊点的金相横切片形貌中，我们可以看到裂纹的出 现，如图2 1 8 所示，说明焊球可承受的剪切力已经达到极限，焊球将有可能被 破坏。当激光入射位置不正时，焊歪的焊球也同样生成了金属间化合物，同时 也表现出良好的润湿性，如图2 1 9 所示。 在用通常再流焊技术焊成的焊球的金相照片中，如图2 2 0 所示铅锡焊料 和焊盘之间形成了一层较厚的金属间化合物：但是在激光植球中，焊球与焊盘 之阳j 的金属间化合物层却很薄。这是因为一般热熔焊所经历的时间比激光焊的 时间长，使金属间化合物晶粒有较充分的时间生长，故生成的金属间化合物层 较厚；而激光焊的时间很短，铅锡焊料在受到迅速加热之后就立即冷却，只形 成了很薄的一层金属间化合物。生成适量的金属间化合物是有利的，因为它可 以使焊球和焊盘牢固结合在一起，但是金属间化合物如果