VOP新工艺开发及应用课件

1、FP-HR-PY三大奖项申报 人力资源部（2014）三大奖项申报表一.基本信息：所在系统：部门：班组/工序：机加工/激光钻孔提案名称：VOP新工艺开发及应用实施时间： 2014.03.15 至 2014.09.15 提案负责人：主要成员： 提案分类：合理化建议 技术进步 质量改进二指标达成情况：序号指标实施前实施后改进幅度（%）相关部门确认1价值增加额度无能力制作VOP可接受VOP订单100%Chris2质量改进幅度实施前为VIP结构:1孔径尺寸精度差，CPK1.33。2 Dimple超标,0.06T样品约5%的单元Dimple15um3圆弧率20%1孔径CPK1.672Dimple尺寸5um

2、3 圆弧率15%80%徐娟备注：1.指标（提案价值点及实际成果）的填写可参考三大奖项评价标准，包含但不限于：价值增加额度、质量改进幅度、效率提升幅度、成本降低幅度，相关数据均需相关部门负责人签字确认。2.涉及“增加税前利润”的计算过程（计算数据须以财务部核准的数据为基本依据，并经财务经理确认）：（期间：6个月以上；计算公式=增量收入-相关的成本费用支出。） 三.周边评价序号评价部门（班组）评分（0-100分）建议或意见评价人1开发部98提升设计灵活性，扩大了产品接单范围。2品质部90已应用与部分产品3生产部备注：周边评价部门为该提案实施以及应用中相关关联部门。四.审核意见（详细内容请参阅总结报

3、告）：部门意见：1.指标达成情况： 目标达成 目标部分达成 目标未达成 2.转化成熟度： 无须形成规范 成果尚未形成规范或检验中 成果已形成临时规范 成果已形成正式规范，局部需改进 成果已形成正式规范运行持续有效3.创新性评价： 公司内领先 行业内国类领先 行业内全球领先 . 改进型创新 根本型创新3.其余说明与意见： 签名： 日期：系统意见： 签名： 日期： VOP新工艺开发及应用 总结报告1. 背景为适应半导体芯片导体尺寸从0.1um的准纳米级正式向0.02um规格纳米级转变，封装基板的布线密度需要进一步增加。焊点可阵列分布的Flip-chip结构因单位面积I/O数的大幅提升，近年来受到业

4、界个广泛关注。关于Flip-chip加工技术及应用的研究在近年都得到了迅速发展。 Wire-bonding 结构 Flip-chip结构与传统Wire-bonding结构不同，Flip-chip结构封装基板连接焊点由四周分布变为平面阵列分布，其与芯片连接方式也由传统的金线改为小尺寸锡球。这种阵列式分布的锡球直接与芯片连接的技术对封装基板的平整度要求非常高，目前的通孔或VIP结构都因Dimple问题难以满足要求。 VIP结构填充后 Blind-via填充后此外，VIP结构需要使用特殊的填孔药水，填孔药水在提高通孔填充性能的同时，往往导致线路的圆弧率上升，这对于金手指区域有不利影响。 特殊填孔药水

5、电镀后线路形貌 一般镀孔药水电镀后线路形貌为满足Flip-chip产品高平整性焊盘要求，同时克服填孔时对线路圆弧率的影响，有必要在我司现有VIP技术的基础上，开发一种新型的双面板成孔技术。VOP结构示意图同时，从技术发展角度来看，也需积极开发适合我司生产流程的激光VOP技术，达到并赶超国际同行，以提升我司产品的技术含量，更好的应对来市场竞争的压力。2. 目标1) 激光加工参数评估， 完成60-100m VOP激光参数调整；2) 薄铜VOP加工参数优化，完成2/3um基铜，60-100m激光VOP参数调整；3) 孔径尺寸精度优化，提升尺寸CPK到1.67以上；4) 电镀参数优化，实现60-100

6、m VOP结构电镀填充；5) 完成小批量样品制作，并完成其品质及可靠性分析。6) 规范化作业流程和作业参数，实现VOP产品量产导入。3. 过程实施3.1 测试流程开料减薄铜（12um减薄到5um）机械钻定位孔蚀刻开窗激光钻孔除胶化学沉铜电镀填孔下工序。3.2 测试方法测试步骤测试方法（内容）激光加工参数评估【1】针对不同目标孔径，不同介质层厚度，不同材料的产品，考虑脉宽、能量、枪数，光罩等对加工品质的影响。【2】DOE测试0.06T，60m、80m、100m VOP产品过加工参数。并建立参数选择模型Output CTQControlTargetInput CTQRef.Parameter#of

7、 exp.LowHighVia diameter（60m）Dp/Dw=0.7±0.1Dp:Pad Diam.Dw:Window SizeDiam.CPK1.67Pulse Width/s879L8 24# of Leg:24N=3Energy/mj3.63.33.9Pulses/shot324Mask/mm1.81.62.0Via diameter（80m）Dp/Dw=0.7±0.1Dp:Pad Diam.Dw:Window SizeDiam.CPK1.67Pulse Width/s 879L8 24# of Leg:24N=3Energy/mj 5.04.55.5Puls

8、es/shot324Mask/mm2.01.82.2Via diameter（100m）Dp/Dw=0.7±0.1Dp:Pad Diam.Dw:Window Size Diam.CPK1.67Pulse Width/s 9810L8 24# of Leg:24N=3Energy/mj 6.56.07.0Pulses/shot435Mask/mm2.22.02.4【3】根据模型优化0.06T的VOP加工参数，并推断0.04T VOP产品的加工品质。薄铜加工参数评估【1】VOP产品底铜越薄，越容易击穿。当基铜减薄到2/3m时，由于基铜过薄，激光加工过程中容易击穿基铜导致孔不良，影响后工序

9、加工及孔的可靠性能，因此对于基铜2/3m的产品，相较于基铜5m的产品，需重新评估其加工参数以保证孔型良好及孔的可靠性能。【2】对比加工参数对尺寸精度影响，保证CPK达到在1.67以上，满足量产要求。电镀参数评估孔径与孔深的不同会影响到电镀填孔的效果，电镀参数不宜，易产生Dimple和Void等常见不良，影响孔的可靠性，需要评估。同时，电镀参数对圆弧率有影响，需要评估测试。本测试内容主要评估小电流长时间和大电流短时间两种方式的电镀效果。样品制作测试合格后，加工1批次样品，并且跟进制作结果。小批量试产确认样品制作结果，培训员工激光VOP加工要点和注意事项。规范化将激光VOP加工参数及操作规范化。3

10、.3 测试结果3.3.1 激光加工参数评估3.3.1.1 激光参数的影响分析Mask尺寸、能量、脉冲宽度、脉冲次数(包括清理树脂枪数）四个因素是Laser加工参数四个决定性因素，其中： Mask及能量的影响； 脉冲宽度和脉冲次数影响孔型和孔品质。 因此，有必要建立一个加工参数，首先需根据孔径大小来选择Mask大小，然后根据不同的孔深来计算出所需要的总能量，最后通过调整脉宽和枪数得到良好孔型。3.3.1.2 DOE测试及加工参数的选定（1） 优选Mask光罩直径是激光孔径的决定因素，开口尺寸随Mask尺寸变化呈近似线性关系，如图3.1所示。D=100M-80其中：M表示理论光罩直径,单位mm；D

11、表示目标开口直径，或上孔径，单位m。图3.1 光罩直径与开口孔径关系图由于使用开等窗工艺，考虑到板材涨缩及对位（20um以内）的影响，Mask尺寸选择原则为实际Mask尺寸：M实际=M+0.4mm。因而，适宜于60/80/100um孔径加工的Mask尺寸分别为M1.8mm，M2.0mm和M2.2mm。（2） 优选能量目前采用Conformal加工方式，激光所包含的能量并不完全用于烧蚀孔，其中部分能量被铜面反射，且光斑尺寸不同，能量反射量不同，即实际用于加工孔的能量有效能量与光斑大小密切相关。若在选定Mask的基础上已经确定了有效能量，则需要考虑如何将此能量分配到若干个激光脉冲中，因不同的脉冲宽

12、度与枪数不仅影响孔型质量还影响加工效率。 光斑尺寸与Mask关系光斑尺寸大小取决于Mask尺寸大小，使用不同尺寸Mask在亚克力板上打孔，通孔测量该孔得到光斑尺寸与Mask尺寸的关系如图3.2所示：图3.2 光罩直径与光斑尺寸关系图由图2可以看出光斑尺寸与Mask尺寸基本呈线性关系，关系式为：DB=0.0210+0.0593*M （1）其中：M表示理论光罩直径,单位mm；DB表示目标光斑尺寸，单位m。 总能量与有效能量 总能量Es即为激光发振器输出的基准能量，有效能量Ev为总能量排除反射掉的能量剩余的能量：Es=第一枪能量+第二枪能量+第三枪能量+Ev=B2/A2*Es其中：Ev表示有效能量,

13、单位mj；Es表示总能量，单位mj；A表示光束尺寸；B表示开口尺寸，如图3所示： 有效能量与孔径及介质层厚度的关系 通过预测试得出的试验数据，进行试验分析，可得出有效能量与孔径及介质层厚度的关系。1） 预测试结果Dielectric Layer Thickness/mDiameter/mPulse Width/sEnergy/mjPulses/shotMask/mm40608+23.01+11.8401009+25.51+12.260608+23.61+21.8601009+2+16.51+2+12.22） 有效能量计算介质层厚度孔径能量1脉宽1脉宽2脉宽3枪数1枪数2枪数3mask/mm光斑

14、/m总能量有效能量406038201101.8128 3.75 0.83 401005.59201102.2151 6.72 2.93 60603.68201201.8128 5.40 1.19 601006.59211212.2151 10.83 5.603） 试验分析 以孔径和介质层厚度为因子，分别取两个水平，以有效能量为指标，设计两因子两水平全因子试验：a. 因子水平表：因子水平LowHigh介质层厚度/um4060孔径/um60100b. L822:试验运行重复两次标准序运行序中心点区组孔径介质层厚度有效能量311160601.196211100402.934311100605.602

15、411100402.93751160601.19561160400.83171160400.838811100605.60c. 因子分析：拟合因子: 有效能量 与 孔径, 介质层厚度有效能量 的效应和系数的估计（已编码单位）项 效应 系数 系数标准误 T P常量 2.6325 0.002500 1053.00 0.000孔径 3.2550 1.6275 0.002500 651.00 0.000介质层厚度 1.5150 0.7575 0.002500 303.00 0.000孔径*介质层厚度 1.1550 0.5775 0.002500 231.00 0.000S = 0.00707107 P

16、RESS = 0.0008R-Sq = 100.00% R-Sq（预测） = 100.00% R-Sq（调整） = 100.00%对于 有效能量 方差分析（已编码单位）来源 自由度 Seq SS Adj SS Adj MS F P主效应 2 25.7805 25.7805 12.8902 257805.00 0.0002因子交互作用 1 2.6680 2.6680 2.6680 53361.00 0.000残差误差 4 0.0002 0.0002 0.0000纯误差 4 0.0002 0.0002 0.0001合计 7 28.4487有效能量 的系数估计，使用未编码单位的数据项 系数常量 3.

17、88500孔径 -0.0630000介质层厚度 -0.155250孔径*介质层厚度 0.002887504） 回归方程：有效能量 = 3.885 0.063*孔径 0.15525*介质层厚度 + 0.0028875*孔径*介质层厚度 （2） 有效能量参考表 通过有效能量与孔径和介质层厚度的回归方程可得出以下参考表：有效能量介质层厚度/m孔径/m60708090100400.8251.3501.8752.4002.925501.0051.8192.6333.4464.260601.1852.2883.3904.4935.595 总能量参考表 根据孔径与Mask关系优选出Mask后，再依照有效能量

18、参考表，可得出不同孔径、不同介质层厚度钻孔所需的总能量，详见下表：介质层厚度/m孔径/mMask/mm光斑/m有效能量/mj总能量/mj40601.8128 0.825 3.739 40701.9134 1.350 4.923 40802.0140 1.875 5.709 40902.1146 2.400 6.275 401002.2151 2.295 5.265 50601.8128 1.005 4.555 50701.9134 1.819 6.633 50802.0140 2.633 8.018 50902.1146 3.446 9.010 501002.2151 4.260 9.772

19、60601.8128 1.185 5.371 60701.9134 2.288 8.343 60802.0140 3.390 10.323 60902.1146 4.493 11.748 601002.2151 5.595 12.835 （3） 脉宽与枪数的选择当总能量确定以后，就需要将总能量分配到若干激光脉冲中，脉冲的宽度与次数（一般称作枪数）的选择决定着孔型质量的好坏。脉冲过长，将导致能量密度下降，此时玻纤突出严重；脉冲较短，将导致能量密度集中，此时对底铜的烧伤情况加剧，严重时将击穿底铜；脉冲若过短，此时能量虽集中，但脉冲持续过短，热效应不够显著，孔可能未钻透。考虑到以上情况，最佳脉冲宽度

20、一般控制在5-14s为宜(第一枪，不包括清树脂脉冲)。在考虑脉宽的同时，需考虑枪数（脉冲次数），适量的枪数，可有效避免击穿、残胶等孔缺陷，同时还可提高孔真圆度，若枪数过多，则又会降低加工效率，因此需综合考虑枪数的多少。VOP加工时，根据介质层厚度及底铜厚度不同，枪数有所增减，一般介质层越厚，底铜越薄，枪数会有所增加。算上第一枪，总枪数一般控制在28枪以内。3.3.1.3 模型建立及应用根据3.3.3.2 DOE测试结果及推导方程：DB=0.0210+0.0593*M （1）有效能量 = 3.885 0.063*孔径 0.15525*介质层厚度 + 0.0028875*孔径*介质层厚度 （2）推

21、断VOP加工的Mask、能量等加工参数，并以此参数加工测试，结果如下所示： 0.04T孔径60m80m100m加工参数Mask:1.8mmPulse Width: 8s +2sRef.Energy:3.0mjShot:1+1 shotMask:2.0mmPulse Width: 8s +2sRef.Energy:4.0mjShot:1+1 shotMask:2.2mmPulse Width: 9us +2s+1sRef.Energy:5.5mjShot:1+1+1 shot加工实例0.06T孔径60m80m100m加工参数Mask:1.8mmPulse Width: 8s +2sRef.Ene

22、rgy:3.6mjShot:1+1 shotMask:2.0mmPulse Width: 8s +2s+1sRef.Energy:5.6mjShot:1+1 +1shotMask:2.2mmPulse Width: 9us +2s+1sRef.Energy:6.8mjShot:1+2+2 shot加工实例3.3.1.4 小结 分析了Mask尺寸、能量、脉冲宽度、脉冲次数四个关键因素对VOP加工的影响； 通过DOE测试，得到VOP加工的参数范围，并建立了参数模型； 利用该模型推导参数加工0.04T及0.06T产品，切片分析可以满足规格要求。 问题点：镭射后微蚀过程对底铜影响较大，部分产品在沉铜后

23、发现底铜击穿现象。n 100um盲孔能量较大，底铜受冲击容易损伤；n 微蚀过程上下面同时蚀刻，微蚀速率加倍。3.3.2 薄铜VOP加工参数优化3.3.2.1 加工参数优化根据3.3.1测试结果，底铜越薄，VOP产品越容易击穿。当基铜减薄到3m时，激光加工过程中容易击穿基铜导致孔不良，影响后工序加工及孔的可靠性能。为克服底铜击穿问题，需进一步开发适用于2/3um底铜的加工参数。根据前期测试结果，能量减小，枪数增加，使用小能量多次加工有利于保证底铜的完整性。3um底铜0.04T/0.06T，孔径60/80/100um激光VOP加工参数和实例如下所示:0.04T孔径60m80m100m加工参数Mas

24、k:1.8mmPulse Width: 8s +2s+1sRef.Energy:2.7mjShot:1+1 +1shotMask:2.0mmPulse Width: 8s +2s+1sRef.Energy:3.6mjShot:1+1 +1shotMask:2.2mmPulse Width: 9us +2s+1sRef.Energy:4.6mjShot:1+2+1shot加工实例0.06T孔径60m80m100m加工参数Mask:1.8mmPulse Width: 8s +2s+1sRef.Energy:3.3mjShot:1+2+1shotMask:2.0mmPulse Width: 8s +

25、2s+1sRef.Energy:4.0mjShot:1+3+2hotMask:2.2mmPulse Width: 9us +2s+1sRef.Energy:5.8mjShot:1+3+3shot加工实例薄铜VOP加工参数与与普通VOP加工参数差异（以0.06T为例）如下所示：项目普通VOP3um薄铜VOP能量/mj60um3.63.380um5.64.0100um6.85.8枪数/shot60um2480um36100um573.3.2.2 孔径尺寸精度优化根据3.3.1 DOE测试结果及3.3.2 参数调整结果，对比分析使用薄铜加工参数及普通参数时0.06T，60/80/100um孔径CPK

26、编号情况，结果如下所示：孔径普通VOP参数薄铜VOP参数60umCPK=1.13CPK=2.1680umCPK=1.92CPK=2.13100umCPK=1.82CPK=2.183.3.2.3 小结综合3.3.1和3.3.2结果发现，在普通VOP加工参数的基础上，适当减小首枪能量，增加后续清理树脂的枪数，不但能有效避免底铜击穿问题，也有利用提高底铜孔径尺寸的精度。实测结果表明，使用薄铜加工参数，底铜的尺寸精度CPK均可达到2.0以上。不足：目前流程加工2um底铜VOP时，即使使用薄铜参数，其底铜击穿也难以避免。3.3.3 电镀参数评估3.3.3.1 电镀参数优化为保证良好填充效果，需要评估电镀

27、参数的影响。电流密度和电镀时间是影响电镀品质的两个重要因素。一般认为小电流密度有利于减小Void和Dimple发生概率。因而实验对比使用小电流长时间和大电流短时间两种方式电镀效果，其结果如下所示：电镀方式普通电镀参数（改善前）小电流长时间（改善后）加工条件电镀设备：MSAP图形电镀线电流密度：1.8ASD电镀时间：50.0min电镀设备：MSAP图形电镀线电流密度：1.3ASD电镀时间：76.0min加工实例0.04T60m80m100m0.06T60m80m100m对比发现，0.04T产品普通电镀参数与小电流长时间的差异不大，但对于0.06T产品，使用大电流电镀时，60m有Void，100m

28、有Dimple。小电流长时间加工0.06T产品时也可以满足品质要求。3.3.3.2圆弧率测试如右图所示，电镀圆弧率等于弧顶高度与基铜高度比值。电镀方式普通电镀参数小电流长时间图片圆弧率14.3%0采用VOP结构，使用普通电镀时圆弧率可控制在15%以内，优化电镀参数，使用小电流密度电镀可以较好的抑制圆弧率。3.3.3.3小结电镀参数对比测试结果表明，使用小电流长时间电镀对改善电镀品质，防止Void和Dimple有利，有效地避免了介质层厚度为0.04T和0.06T，孔径分别为60m、80m和100m的VOP产生Void和Dimple，若使用大电流短时间参数电镀，虽然Dimple大小可以控制在10m

29、以内，但不能有效避免Void的产生。此外，使用小电流长时间参数电镀，对于圆弧率的改善也有明显的效果。3.3.4 样品制作3.3.4.1 样品基本信息试制产品2V2BD065A0，电镀填孔工艺，产品信息如下所示：序号项目规格1产品结构 2基本规格层数CCL厚度/m基铜厚度/m孔径/mAR/m2L506801003加工流程物料出库烘板减薄铜机钻定位孔Conformal激光钻孔除胶盲孔检查机检查化学沉铜填孔电镀4投入数量16Pnl5镭射要求目标孔径：80m；孔数：8880 Via/pnl。3.3.4.2 盲孔品质检查跟进盲孔检查机测试结果，结果合格，具体如下：图3.3为群孔复检图，其中残胶、全黑、全

30、白缺陷均为0；图3.4为实际效果图，可以看出基铜无烧伤痕迹，孔底无残胶，孔品质良好。CPK=2.40 图3.3 群孔复检图 图3.4 孔径分布CPK3.3.4.3 电镀品质确认跟进填孔电镀后切片测试结果，电镀填孔测试结果合格，具体见下图切片。镀填孔切片图3.3.4.4 圆弧率测试 电镀后切片 蚀刻后切片切片确认，线路无明显圆弧率，满足15%规格要求3.3.4.5 植锡球测试通过手动植球，切片观察焊盘表面的平整性及其与锡球的结合情况。结果如下所示： 锡球表面 切片观察结果表明：焊盘表面完成平整，锡球与焊盘结合紧密。3.3.4.6 可靠性测试 分析项目：高低温冲击测试； 分析方法：-55125，高

31、温和低温各保持15min，升降温时间为2min，循环次数200； 分析仪器：高温试验箱 型号：PHH201 等 测试结果：（1）外观样品测试完成后外观图及层间切片图如下所示，温度冲击实验结束后，样品外观检查，未见有分层爆板、阻焊剥离、白点和气泡等缺陷，切片检查未见有分层等缺陷样品外观SAT图样品层间切片图（2）过程电阻率变化最终电阻数据和变化率如下表，电阻变化曲线如下图所示：所有网络电阻变化率均小于±10%，合格。电阻变化曲线图 结论：经条件为-65（0/-10） +150（15/-0），15min，2min，200cycle的高低温冲击测试后，外观检查未见有分层爆板、阻焊剥离、白点

32、和气泡等缺陷；SAT及切片检查未见有分层等缺陷，电阻变化率小于10%，符合客户标准。3.3.4.7 小结跟进了2V2BD065A0小批量样品制作，并对产品品质，可靠性进行测试，结果表明： Laser加工品质良好，无残胶、底铜击穿等不良； 电镀品质良好，无Dimple或Void等不良； 圆弧率和焊盘平整性满足要求； 可靠性测试合格，可满足客户要求。3.3.5 小批量试产实际跟进了3个型号，共计14个批次产品生产，其中CSP、PCB、SIP产品各1款，均未发现因VOP不良导致报废，品质稳定性良好。 3.3.6 规范化及生产控制要点（1）生产参数规范化将VOP产品加工参数更新至SOP中，指导现场作业

33、。（2）生产控制要点序号工序控制要点1NPI流程制定需在流程卡上特殊要求处备注为VOP产品；2CAM文件制作根据客户要求选择从CS面还是SS面加工。选用原则是客户上锡球的一侧是盲孔底部。3机钻定位孔使用0.2mm厚铝片加工定位孔，抑制孔口披锋，减小对LDI及Laser对位精度的影响。4蚀刻开窗【1】 贴膜前处理关闭微蚀段（常规微蚀量控制在0.60.9m）；【2】 LDI曝光使用自动拉伸方式，以确保LDI与Laser钻孔拉伸方式一致，防止因拉伸方式差异而导致的偏位；【3】 激光开窗大小为目标孔径±5m。5除胶沉铜沉铜微蚀段微蚀量控制在0.60.8m。6激光钻孔【1】使用薄铜加工参数，介

34、质层厚度变化时可根据自主检查结果减小激光能量，增加激光枪数；【2】完成激光加工后过除胶使用盲孔检查机检查孔底残胶及孔径分布，要求100%无残胶，孔径为（1+/-10%）*目标尺寸，孔径分布CPK1.67。7电镀填孔【1】使用长时间小电流密度填孔；【2】电镀后确认孔口的Dimple，切片检查是否有Void。8闪蚀蚀刻后确认线路圆弧率大小。4 总结4.1 创新性该技术处于国内领先水平。目前该技术主要应用于封装基板领域，韩国、日本一线载板工厂已有少量应用，台湾ASE等大型封装基板工厂也正在开发过程中，国内该技术未见报道。该技术已申请发明专利一项，针对更薄底铜（2um）的VOP技术开发也在进一步测试过程中。类型名称状态发明人发明专利高密度封装基孔上盘产品及其制备方法递交专利局王名浩、谢添华、李志东同时，该技术为在原有VIP技术的基础上不断改善的结果。该技术进一步提升了ICS的产品能力，可应对客户Flip-chip产品需求，为市场部和新产品部门开发客户提供了技术支持。4.2 持续性通过试验和小批量试产，目前按此流程制作的板已交货5个型号，共14个批次，共224块板，总生产面积44.8，未发现因为通孔不良导致的报废，品质稳定性好，未接到客户相关投诉。4.3 应用转化情况相关制作方法、作业标准已更新到CP/SOP等文件中，相关文件已通过会审并下发到工序上，同时员工已熟练掌握VOP的制作方