【《集成电路球栅阵列封装（BGA）焊点空洞工艺缺陷的形成原因及应对措施研究》8000字】

Ⅲ集成电路球栅阵列封装（BGA）焊点空洞工艺缺陷的形成原因及应对措施研究摘要：随着芯片集成电路封装技术的不断进步和芯片集成电路以及相应集成设备的不断更新改良,大规模的芯片集成电路、较多中小规模的芯片集成电路以及超大中小规模的硅集成电路的相继应用出现,硅的集成单芯片封装集成电路程度不断地逐步得到极大提高,这对于硅集成电路芯片封装的相关技术性能要求更加严苛,i/o引脚的设计参考操作次数急剧地不断增加,功耗也因此不断增大。为充分考虑满足国内市场不断发展的不同需求,在面板封装的一样品种的两个基础上,又增加了一个新的种类-球栅阵列封装,简称为BGA(BallGridArrayPackage)。BGA芯片封装的每个i/o端子以一个椭圆形或者相等直径的一个圆形来将焊点按照圆形矩阵列的各种形式均匀地安排分布在芯片封装下面,BGA封闭组装焊接技术的最大主要优点之处之一就是它的i/o引脚的连接个数虽然比传统封装技术增加了,但是引脚的连接间距并没有明显地有所减小反而可说是功耗增加了,从而大大提高了小型封装芯片组装的生产成品率;虽然其降低功耗的机会并没有所谓的增加,但是在BGA却还是只能用可控式和塌陷式的芯片法则来进行圆形焊接,从而也就使得它不仅可以大大小幅度地利用改善其中的电热优化特性;厚度、重量和以前的封装技术进行比较有所减少;寄生参数(当电流发生大幅度的变化时,会引起输出电压的扰动)减小,信号传输的延迟变小,使用频率则会大幅度提高;组装可以用共面的焊接,可靠性比较高。BGA焊点的空洞是在BGA组装的过程中常见的一种工艺缺陷,这种工艺缺陷形成的原因与主要影响因素是什么,研究BGA焊点空洞的可接受标准并提出减少空洞缺陷的主要措施。关键词：集成电路封装；BGA；焊点空洞；可靠性。 目录第一章绪论 11.1导言 11.2BGA封装技术 11.2.1BGA封装技术概况 11.2.2BGA焊点空洞的影响 1第二章BGA作业涉及的设备 第一章绪论1.1导言如今,随着我国集成电路和芯片封装技术飞速发展,对芯片封装技术的需求已经变得越来越苛刻。这主要原因是，由于封装技术会直接影响到了产品的使用功能好坏,假如一个IC的工作频率超过了100mhz,这时候传统的封装方式就很有可能会产生一种称为"crosstalk"的现象,并且在一些情况下，一个IC的信号管脚总数都大于208pin时,传统的封装方式就会具有一定的困难。所以,除了使用QFP封装外,如今大多数高引脚数的芯片(如图形芯片与芯片组等)都开始使用BGA(BallGridArrayPackage)封装技术。BGA的出现，成为了CPU、主板上的南/北桥芯片等高密度、高性能、多引脚封装的最佳选择。BGA焊点的典型缺陷包括:开路、连锡、焊球丢失、空洞、焊料球和焊点边缘不清晰。而BGA焊点空洞则被认为是BGA常见并且是不可避免的一种工艺性空洞缺陷,不同公司和不同产品对于焊点空洞的具体可以接受标准也不一样,因此,研究BGA焊点空洞的产生和形成原因及其主要的影响因素,讨论BGA焊点空洞的具体可以接受标准并对其提出一些有效的消除和减少其空洞工艺性缺陷的方法和措施有着十分重要的指导意义。1.2BGA封装技术1.2.1BGA封装技术概况20世纪90年代随着科学和技术的发展与进步,芯片的集成程度不断得到提高,i/o引脚的参数急剧上升,功耗也相应地增大,对集成电路中信号封装的控制要求也越来越严格。为了适应发展趋势,BGA封装已经开始在工业中得到广泛的应用。(BGA是英文ballgridarraypackage的一个简单缩写,即球栅的阵列封装)1.2.2BGA焊点空洞的影响焊点的空洞位置问题可能是直接造成影响对于BGA两个焊点的工作质量与可靠度的重要一个影响考量因素。基于三维焊点电磁场的空洞仿真建模设计图本软件利用hfss对单一两个焊点钻孔进行空洞的仿真建模,分别去分析和研究了，在BGA的两个焊点中，不同的钻孔位置、尺寸和钻孔数量等焊点空洞对单一焊点的电磁传输传动性能的直接影响。研究分析结果显示,焊点内部的两个空洞较其他焊点表面较小部位的两个空洞对于焊点信号快速传递系统性能的损耗影响较大;在整个焊点外部表面上的空洞,位于整个焊点中部的两个空洞较小而接近上下焊盘的两个空洞对于焊点信号快递传送系统性能的损耗影响较大;随着整个焊点工作过程中空洞的扩大体积不断扩大或者空洞撞击次数的不断增多,使得对于焊点内部回波器的损耗也随之不断增大。[2]除此之外,空洞还可能会直接严重影响涉及到该企业产品的内部供电系统性能、热交换性能和内部机械传动性能,甚至还可能会直接影响导致该企业产品的性能失效。bga存在焊点内的材料孔隙将增大会直接严重影响其整体机械性和动力学上的性能,使焊点强度、韧性、蠕变和疲寿命降低,还会使焊点过热,降低可靠性。[3]第二章BGA作业涉及的设备2.1锡膏印刷机2.1.1锡膏印刷机的作用及工作原理锡膏和线路板印刷机主要是一种利用SMT的生产工艺中将锡膏和线路板印刷成相应焊盘上的一种生产装置,主要起到作用的对象之一就是印刷锡膏和线路板,把印刷锡膏和线路板上的两个焊盘经由锡膏和印刷机的相互作用而使他们相结合在一起,然后经由贴片机将这些焊盘通过锡膏和印刷机将这些锡膏和线路板印刷成相应的焊盘上贴装上一个带有贴片的元件经回流焊接后可以使线路板成为半导体和成品电子产品。锡膏印刷机有半自动锡膏印刷机和全自动锡膏印刷机，因为现在很多电子元件非常小，如果不使用专业的锡膏印刷设备，无法达到理想的印刷效果。锡膏印刷机的主要使用工作台和原理一般就是先将所有主板需要锡膏印刷的贴片电路板用一个刮刀直接固定到需要印刷的主板定位台上,然后由锡膏印刷机主板左右各各用一个刮刀将所有锡膏或者其他红胶直接通过一个钢网直接漏印在一台相应的印刷焊盘上,对钢网漏印处理均匀后再用PCB通过数据传输控制台将所有PCB数据输入传送到一台相应的印刷贴片机中,从而可以进行一种自动化的印刷贴片。焊膏和用于印刷器的焊膏贴片都被广泛认为焊膏是一种可触发应变物,具有良好的摩擦黏性,当普通人的锡膏通过印刷器以一定的速度旋转运行速度和运动角度沿着一个特定方向连续向前上下运动时,对应的焊膏也可能会使其产生一定的摩擦压力,推动其他人的焊膏在注入刮板前向上滚动,产生将其他人的焊膏直接溶液注入刮板到焊膏网孔或者直接渗入到漏洞中所可能需要的一定压力。焊膏的边缘黏性力和摩擦力减弱可以直接使得锡与焊膏在吸入锡上的灰尘中使印刷器中的刮板与印刷网板的边缘交接部分不会产生边缘剪切的改变,这种的剪切变力可以导致锡与焊膏间的黏性摩擦减弱,有利于印刷使焊膏顺利地从印刷网板中挤出注入一直到印刷模板的末端开口小孔或网板渗漏。刮刀的摩擦速度、刮刀的摩擦压力、刮刀与两个模板相互之间的摩擦角度,以及与模板焊膏之间的材料粘合均匀程度之间也都必然存在着一定的测量限制和不可约束性的关系,因此只有正确性的控制好这些测量参数,才一定可以有效保证模板焊膏的正常打磨工作质量。2.2回流炉2.2.1回流炉的作用及工作原理当PCB进入预热区时,焊膏中的水份、气体蒸发,助焊剂湿润元件引脚和焊盘,焊膏开始软化并覆盖焊盘,使元件引脚和焊盘与氧气隔离;PCB进入回流区时,温度迅速上升,焊膏达到熔化状态,对PCB上的元件引脚和焊盘湿润、扩散、回流、之后冷却形成锡焊接头,从而完成了回流焊。强迫性的快速对流焊接热风快速回流焊接法就是通过一种对热气流的快速循环,在焊接元件上下两个物体表面,以相对较低的工作温度而直接产生高度有效率的热传导,同时可以促进小型化的元件受热可以直接避免使用电弧焊过程中的元件过热,避免因为使用单面板的电弧焊而直接引起元件PCB的受热变形,PCB上大量带有电弧纹的焊点也可以能直接得到相对均匀的热在电弧焊焊接点上的受热,从而可以达到热风回流式的电弧焊接。第三章BGA焊点空洞的因素分析与可靠性影响3.1焊点空洞的位置及成因在BGA的焊点检查中在什么位置能发现空洞呢?BGA的焊球可以分为三个层,一个是元件层(靠近BGA的基板),一个是焊盘层(靠近PCB的基板),再有一个就是焊球的中间层。根据不同的情况,空洞可以发生在这三个层中的任何一个层。根据不同的情况,空洞可以发生在这三个层中的任何一个层。空洞是什么时候出现的呢?BGA焊球中可能本身在焊接前就带有空洞,这样在再流焊接过程完成后就形成了空洞。这可能是由于焊球制作工艺中就引入了空洞,或是PCB表面涂覆的焊膏材料的问题导致的。[8]另外电路板的设计也是形成空洞的一个主要原因。例如,把过孔设计在焊盘的下面,在焊接的过程中,外界的空气通过过孔进入熔融状态的焊球,焊接完成冷却后焊球中就会留下空洞。焊盘层中发生的空洞可能是由于焊盘上面印刷的焊膏中的助焊剂在再流焊接过程中挥发,气体从熔融的焊料中逸出,冷却后就形成了空洞。焊盘的镀层不好或焊盘表面有污染都可能是由于焊盘层出现空洞的原因。通常发现空洞机率最多的位置是在元件层,也就是焊球的中央到BGA基板之间的部分。这有可能是因为PCB上面BGA的焊盘在再流焊接的过程中,存在有空气气泡和挥发的助焊剂气体,当BGA的共晶焊球与所施加的焊膏在再流焊过程中熔为一体时形成空洞。如果再流温度曲线在再流区时间不够长,空气气泡和助焊剂中挥发的气体来不及逸出,熔融的焊料已经进入冷却区变为固态,便形成了空洞。所以,再流温度曲线是形成空洞的一种原因。共晶焊料63Sn/37Pb的BGA最易出现空洞,而成分为10Sn/90Pb的非共晶高熔点焊球的BGA,熔点为302℃,一般基本上没有空洞,这是因为在焊膏熔化的再流焊接过程中BGA上的焊球不熔化。3.2炉温曲线设置不当1、表现为在升温段,温度上的梯度值设置得太高,造成迅速逸出的放射性气体把BGA掀离焊盘;2、升温段的加热气体温度持续时间并没有完全达到足以完全提高继续升高段温度的技术目标,因为当继续升高的气体温度达到终止时,本原来应该继续挥发释放出来的高温气体尚未完全停止逸出,这部分高温气体可能会随着经过回流期后再次继续逸出,影响了气体助焊加热系统在经过回流期后的持续作用。助熔与焊膏中有毒溶剂的使用搭配不当主要原因表现在以为:(1)在膏体高温加热阶段,快速挥发逸出的一些放射性有毒气体可能会把焊盘bga上的支架充分撑起,造成了溶剂错位与膏体阻断间的隔阂;(2)在膏体回流高温阶段,仍然可能会使含有一定程度数量的快速挥发性放射气体从含有助焊膏的油膏结构体系中迅速挥发逸出,但是由于受限于膏体BGA与整个焊盘之间的窄间隙空间,这些被人们称为快速挥发性的放射气体就根本无法顺畅地从整个焊盘中快速逸出,致使它们被快速挤压而不能形成快速熔融的一条接头和多个焊点。3、助剂和焊膏对于液体润湿剂和焊盘的保护作用散热能力差。由于使用助熔时焊盘上油漆膏的保温润湿隔热性能不够,无法把附在焊盘上的一些氧化层全部进行去除,或者也就是这层去除后的助焊效果并不理想,而直接地就造成了焊盘虚焊。助焊膏对应于BGA整个焊球的焊盘润湿控制能力严重缺乏:与其他几种助塑胶焊膏对整个焊盘的焊球润湿控制能力严重缺乏相似,只不过,因由于焊球的固体氧化物和金属合金各种类型不同,BGA上的焊球氧化物和电动势也就各不相同,这样就可能需要整个助焊膏必须同时具备一种能够适应于焊球去除不同的金属合金各种类型焊球氧化物的电动势和润湿能力,若不完全完成匹配,则很有可能会直接造成对应于BGA整个焊球的焊盘润湿控制能力严重缺乏,导致整个焊盘钢球内部处于空洞。[9]3.3焊点空洞产生机理空洞的形成和机理是复杂的，但大量的挥发物是空洞的来源和基本要求，包括以下几个方面：（1）它是由Kirkendall效应直接引起的，（Kirkendall效应一般是指两种扩散辐射速率不同的金属元素在不同的辐射扩散过程中会形成带有缺陷的小现象）。这种微腔一般比较容易接近两种不同金属间的扩散边界，是由不同的金属元素以不同的扩散辐射速率扩散到边界上不同合金材料层中而形成的一种微腔。由于X射线不能直接检测到，因此有必要采用线扫描显微电子显微镜的方法对其进行清晰的观察。(2)对于一些已经采用碳素镀水金属焊工艺的底部焊盘,由于底部焊料Ni/Au碳素镀膜涂层的空气Au和底部空气碳素膜膜镀层上中间有一个碳素针孔,造成底部焊料Ni和空气Au的膜层与底部空气相互发生接触而被碳素吸收和空气氧化,回流后在焊接时被底部Au和空气碳素膜层包裹后所覆盖的焊料Ni在底部Au被空气吸收并完全溶入空气到底部焊料中后,与顶端Sn和底部Sn焊料发生氧化反应时会产生如SnI3Sn4等的铝合金盲料因埋孔所在而引起的空洞形成膜膜镀层,而被碳素吸收和空气氧化的焊料Ni绝大部分则一定是不能被空气吸收。所有的润湿气体会与之发生相互作用,故在一个方形焊盘和一个圆形焊球之间的两个边界上就可能会同时出现一个相同数量若干的细小空洞。[10]第四章针对BGA焊点空洞的实验分析与优化4.1锡膏回温次数验证实验锡膏是对于BGA印刷不可或缺的，关键性的。锡膏是由锡粉和助焊剂搅拌混合而成。一般来说，一瓶锡膏可作用于产品2-3次，对于重要的产品或者可靠性验证来说，最好是拿一次回温的锡膏进行作业。锡膏从冰箱里拿出来需要进行4小时的回温，但实际上只需2小时左右，整瓶锡膏即的温度即可回归到室温温度。二次回温指的是，锡膏在经历第一次作业后，将钢网上与刮刀上的锡膏进行回收后再放回冰箱保存，再拿出来进行第二次回温。以此类推，三次四次回温也是如此。因此，不同回温次数的锡膏，也是一个对BGA焊点空洞的影响因子，故进行锡膏回温次数对BGA焊点空洞的影响。以下为实验结果：表4-1为3片相同的wafer在3种不同回温次数的空洞扫描结果图4-1：一次回温X-RAY图4-2：二次回温X-RAY图4-3：三次回温X-RAY通过控制变量的方法，我们可以从结果得出结论：一次回温的锡膏对焊点空洞造成的影响最小，二次回温与三次回温相比一次回温的结果来看，略差，但并未对焊点空洞造成很大影响，接下来我们准备第二轮验证。4.2前处理Plasma、烘烤条件与炉温验证Plasma就是来料wafer未进行作业前，利用等离子体处理wafer表面脏污。烘烤也是在wafer未进行作业前，对wafer整体进行去水汽。回流则是在wafer进行BGA作业后，放入回流炉，使其锡膏中所混合的助焊剂成分挥发，并且让其中的锡粉成分与wafer表面焊盘进行焊接。炉温温区停留的时间也可能对焊点空洞造成影响。我们将对这三项可能会对焊点空洞造成影响的因子进行实验验证，即第二轮验证。表4-2为第二轮验证结果从该实验的结果分析：1、当烘烤条件相同、炉温设置相同时，如1#DC和2#DC。2#DC在前处理上做了优化，plasma强度变更为3倍强度，结果是平均空洞占比略比未进行前处理优化的1#DC大，而空洞面积占比大于10%的则是一样；2、当前处理条件相同、炉温设置相同时，如1#DC和4#DC。3#DC在烘烤上做了优化，相比于1#DC，烘烤时间增加了30分钟。结果是平均空洞占比未进行烘烤优化的1#DC大，空洞面积占比大于10%的则增大了2-3倍；3、当前处理条件相同、烘烤条件相同时，如4#DC和3#DC。3#DC在炉温曲线上做了优化，结果是平均空洞占比低于未进行炉温设置优化的4#DC，但空洞面积占比大于10%的是一样的；4、当烘烤和前处理同时优化后，对比1#DC和5#DC，平均空洞占比为经过双优化后的更好点，其中空洞面积占比大于10%的为0；5、当烘烤和炉温曲线同时优化后，对比1#DC和3#DC，平均空洞占比为经过双优化后的更好点，但空洞面积占比大于10%的却增加了2-3倍；小结：增强plasma强度、增加烘烤时间与炉温温区停留时间对空洞无明显改善。4.3多次回温验证与炉温曲线优化验证4.3.1多次回温验证我们选取了同一批wafer在进行印刷回流后，通过X-RAY扫描，wafer的9个区域36个点，空洞面积占比大于10%的有1个和0个进行对照实验。一次回流后：图4-4：1#DC与5#DC空洞mapping图(空洞面积≥10%的分别为1个和0个，单个点空洞面积占比在0-5%时为绿色，5-10%时为红色)多次回流后：图4-5：1#DC与5#DC空洞mapping图小结：1#DC3次回流后空洞≥10%8个，5#DC3次回流后空洞≥10%28个,多次回流后，空洞体积膨胀增大，超过10%占比1#DC：2.8%→22.2%；5#DC：0%→77.8%。焊点空洞会随着回流次数的增加而恶化。4.3.2炉温曲线优化验证炉温曲线是回流炉的一个重要工艺参数。回流炉一般是有5个加热温区和一个冷却区，这5个加热温区的温度都不一样。当wafer经过印刷后，通过这五个温区实现将锡膏和wafer表面焊盘焊接，这五个温区对wafer进行作用时，锡膏中的助焊剂蒸发，其中的锡粉颗粒会渐渐与焊盘焊接。炉温曲线的设置对于焊接起到了关键性的作用。以下是设置炉温曲线优化组进行实验的结果表4-3为实验结果小结：对比3#DC和4#DC的结果，无论是首次扫描还是重复扫描，结果都是经过炉温曲线优化的结果更优。最优条件组客户批次重复性验证后，空洞较DC组更为严重，工艺能力较为不稳定。4.4改变焊盘结构4.4.1铜和锡银结构更改焊盘结构为Cu和SnAg结构后，验证空洞结果为：图4-6电镀铜＋锡银组空洞均值4.17最大值19.5＞10%占比3.5%4.4.2铜和化镀镍金结构更改焊盘结构为Cu和化镀镍金结构后，验证空洞结果为：图4-7化镀镍金组空洞均值5.99最大值19.2＞10%占比8.3%4.4.3铜和镍、锡银结构更改焊盘结构为Cu和Ni、SnAg结构后，验证空洞结果为：图4-8电镀铜&镍&锡银组空洞均值0.2最大值6.8＞10%占比0%小结：经过三种不同的焊盘结构更改，发现铜镍锡银结构的焊盘对空洞有明显改善，故将对铜镍锡银结构进一步验证。4.5重复性验证与优化策略DC片厂内baseline作业，1#DC和2#DC进行五次回流：表4-4为实验结果小结：2pcs厂内DC首次、二次、五次回流后大部分点位空洞面积为0%，仅五次回流后一点为10.8%（共检查1600个锡球，发现1个锡球空洞超10%，异常占比约625ppm，异常比例较低）。客户DC厂内baseline作业，11#DC和12#DC进行五次回流：表4-5为实验结果小结：2pcs客户DC首次、二次、五次回流后大部分点位空洞面积为0%，仅二次回流后一点位空洞面积为11.9%。（共检查1600个锡球，发现1个空洞超10%，异常占比约625ppm，异常比例较低）。总结：1、更改焊盘结构：电镀铜+镍+锡银，对孔洞有明显改善，优化后可达到首次回流整面大部分锡球无空洞，无超10%空洞；2、厂内DC&客户DC多次回流后整面Wafer大部分锡球无空洞，仅存在个别空洞面积超10%；3、厂内DC&客户DC：首次回流无空洞的锡球，多次回流后空洞无恶化；首次回流存在空洞的锡球；多次回流后空洞恶化。对策：经过对锡膏回温次数的验证、前处理Plasma、烘烤条件与炉温验证、多次回温验证与炉温曲线优化验证、炉温曲线优化验证、改变焊盘结构的验证，提出了适合当前改变的工艺调整：将焊盘结构改变为镀铜镍锡银结构。我们通过实验将对空洞影响特别小的因素排除后，将焊盘结构改成镀铜镍锡银结构后对焊点空洞有很明显的改良。并且通过五次回流的恶化实验，焊点空洞的均值也依旧可观。由于精力和条件有限，BGA焊点空洞的分析到这里先告一段落了。第五章总结与展望本文是对BGA焊点空洞的研究，重点是对于BGA焊点空洞成因与优化方案的探索。首先通过对BGA封装进行简单介绍，并对BGA焊点空洞的影响、BGA作业的