芯片级无铅CSP器件的底部填充材料

1、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一种新工艺仍需进一步提高及优化， 其工 艺为： 在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 在芯片成型时一步到位， 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一个严峻的考验，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与无铅焊 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

2、外形的完整性，不会出现晶片分层或脆裂。 在这篇文章中， 我们探讨一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 填充材料与焊接材料的匹配标准在本文中也有讨论。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在焊接过程中能够与焊球、PCB完美结合，增加焊点的抗疲劳能力。底部

3、填充工艺方便、简单，将 半液态填充材料施加在焊球与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一致，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首先是在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。器件在SMT装配过程中，被贴放于PCB上回流焊接，器件在 该阶段， 焊料经助焊剂挥发作用回流形成焊点， 与此同时， 底部填充材 料也经过熔融， 固化的步骤， 对焊点的形

4、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f晶圆切割f晶片上底部填充材料在PCB回流过程中液化f再固化，具体实施请看下列步骤：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，使其在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， 器件在回流过程中，底部填充材料可以帮助清除焊球、焊料、PCB表

5、面氧化层，并随焊球同步延伸，具有同样的张力，同时，填充材料在助焊阶段不能产生 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，该保护膜加强焊点与器件基板 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，焊膏印刷在PCB焊盘上， 从而在回流后形成机械，电气连接，焊膏回流后形成一定的焊点高 度，底部填充则增加焊点可

6、靠性，理想状态下，底部填充应缩小焊 料范围，并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在 >220C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，并能通过温度 循环，潮湿阻抗测试。与无铅工艺匹配的 WLU:F现在大多数以铅为基材的焊球采用C4材料，即63%Sn37%pb熔点为183C，符合EU与日本电子元器件生产的立法要求，无铅焊接材料 有 ，熔点 217C; Sn Cu0.7，熔点

7、227 C；,熔点210C，意味着对于无铅回流焊接，回流峰值温度至少增加了 40C。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:底部填充材料在回流过程中，温度要达到260 C,与无铅焊接材料兼容，在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，在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40C，底部填充材料固化必须在焊点形成之后开始，因此，开始固化时间要延时。4. 缩

8、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，允许焊球与焊盘之间在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挤压流动测试器在后面有详细描述。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在回流冷却过程中，硅晶圆与底部填充材料CTE不匹配

9、形成的内应力造成的，与硅晶圆的CTE、底部填充材料的模量系数、Tg 及室温有关，由以上几个因素引起的内应力可由下列公式计算：n u I ' U H * U g- L )其中：6:作用在晶圆上的应力E:底部填充材料的模量系数 CTE CTE差值Tg-T :玻璃转换温度与室温差值（烘烤后退火处理可减少作用在晶圆上的应力，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，分析底部填充材料与无铅焊料特性， 减少拖尾现象的产生。试验经验总结：国际，国内的一些研究机构对底部填充材料的研究不断提高，并有专利技术产生，三种底部填充材料（材料E与共晶焊料兼容；材料 A，B与无铅焊料兼容）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，但因底部填充材料在滴涂 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。表一列出了一系列底部填充材料的研究结果：表一晶圆展部填充材料ProperlyMaterial A11Mukrlal B i t cud- Iri)Mater