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晶圆凸块模板印刷设计考虑要素

返回列表 来源:美精微电子 浏览:281 发布日期:2017-05-24 15:38:53

影响晶圆凸起网板印刷效果的基本设计事项

  前言

  要确保采用网板印刷的晶圆凸起工艺优良率达到理想的水准,必须考虑多项重要的设计因素。

  网板印刷

  采用标准表面安装设备的网板印刷技术,是在简单和成熟的工艺环境中粘贴晶圆凸起焊垫的高成本效益方案。采用这种方法时,不同的应用需要不同的定制设计指引,并依从特定的设备、材料和工艺指令,才可建立起稳固、高良率的晶圆凸起印刷和回流焊程序。

  影响优良率的参数

  尽管网板印刷很简单直接,但许多变量会严重地影响采用这种凸起方法之晶圆的质量或良率,通常用已知好裸片数值(KGD)来评价一项晶圆凸起工艺的性能.应当深入了解并高度重视影响这项工艺的众多设计方面,制订有效而可靠的设计策略以获得卓越的成果。

  倒装芯片粘结垫设计

  倒装芯片胜过线粘结、面朝上的板上芯片器件的优势之一在于,由于导电焊垫可置放于裸片有效面的任何一处,因此可以在更小的集成电路面积上增加I/O数量。不过,网板印刷凸起却可能是最受裸片的焊垫布局所限制和阻碍的印刷方式。焊垫的尺寸、形状和间距必须小心设计,从而在实际的情况下达到所需的焊膏凸起尺寸;另外,还须考虑一般称为凸起底部金属的焊垫粘结表面组合。在回流焊过程中,UBM对网板印刷的焊球的成形有显着的影响,而且最终更会影响已装配倒装芯片的强度、可靠性和性能。

  焊垫尺寸和形状

  芯片上焊垫的大小,对网板印刷产生指定的回流焊凸起尺寸所需的焊膏量有着直接影响,要维持指定的凸起高度,芯片上较大的焊垫需要较多焊膏:较小焊垫需要的焊膏则较少。假如焊垫太小,支持较大量的焊膏的焊接面积也较小,凸起及焊点强度受到重要影响,而好处只是间隙距离略微增加。芯片垫的可湿润焊接面积的形状也会影响焊膏的凸起尺寸。这个形状不一定与焊垫的几何尺寸有关,而主要由焊垫上的钝化开孔所决定(见图1)。

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  图一:焊垫的钝化膜开孔决定了焊膏

  突起的可润湿粘结面积的尺寸和几何。

  图1实际粘结点的形状为八角形,焊垫则为正方形,这个形状由钝化窗口限定,以减低应力集中于焊球基底的各个角海,这些应力点有可能减弱粘结强度,并影响焊点的可靠性。要减少这种情况,圆形的钝化开孔最为理想。但是,有些晶圆生产系统在制造与尖角相反的圆角方面存在问题。

  一项经验则是把焊垫粘结点的尺寸保持在最大不超过间距的一半,最小不小于65um(注一)。要计算回流焊凸起的尺寸随焊垫大小和几何的变化关系,可采用以下的方程式。这个方程式模拟了回流焊凸起,以平切的几何球体表示,可作为网板设计工具,有助于决定合适的网板穿孔大小,以涂敷所需的焊膏量。

  焊膏凸起体积:{1/2(焊垫面积)x(凸起高度)}+{1/6π(凸起高度)3}

  影响晶圆凸起网板印刷效果的基本设计事项-2

  焊垫间距及位置

  网板印刷能否在晶圆上生成大的焊膏凸起主要取决于焊垫的配置及密度。我们建议焊垫的排列间距越宽越好,这样,在设计有关穿孔的形状和位置时就拥有更大的灵活性,从而使生产量达到最大。高密度布局也可以更有效地设计至可以进行较大型焊膏涂敷的网板印刷,只需把相邻的焊垫交错排开。设计多列式焊垫配置的网板更具挑战性,因为网板的金属箔面会堆满穿孔,变得非常复杂。目前先进的精密间距网板印刷技术似乎停留于6mil的临界,但这些界限正不断受到挑战。虽然可以在较小间距的条件下进行印刷,但在无瑕疵情况下能涂敷的焊膏量是非常有限的,足以让业界掀起对凸起尺寸,及间隙、底部充填能力、焊点强度及整体可靠性等问题的关注。

  在焊垫的位置方面,一般来说,每个裸片上角落焊垫是晶圆上最难以达到一致而无瑕疵印刷焊膏量的位置。采用非标准穿孔形状在这里是必要的,因为高密度穿孔可能占用了大量网板面积,而形状独特的穿孔使涂敷时很难预计转移效率的高低,  因此裸片上凸起的高度分布未必令人称心满意。只有把晶圆上的所有角垫全部消除,这个潜在问题才可避免,让网板穿孔的设计更有弹性。

  凸起底部金属

  在回流焊时,要令已印刷的涂敷焊膏正确地黏着于晶圆焊垫上,焊垫冶金必须与焊膏合金粘结。大部分裸片焊垫均由铝制成,与低共熔S n/Pb焊膏的粘结并不很好,因此需要一层填隙式的材料,能够粘结铝及低共熔Sn/Pb焊膏,覆盖于铝垫的表面。在复上了保护性钝化膜后加入这个凸起底部金属层,可用的凸起底部金属层和涂敷技术有多种选择,由于凸起底部金属涂敷工艺的成本高,所以业界争相找寻具经济效益的材料和工艺方式。在这种情况下,有关凸起底部金属的信息都是专有的,公众难以接触。其中一种证实可靠和低成本的凸起底部金属方法需要以无电电镀方式,用镍镀上铝垫,然后浸入黄金中。在这个工艺中,只有没有经过钝化的金属特性部分(即铝粘结垫)才会被镍/金凸起底部金属层覆盖。要维持良好的湿润特点,这个凸起底部金属必须尽可能清洁和无氧化。最好能把晶圆存放于氮气调节绝缘存储柜内,以阻止不良氧化残余物的形成。

  托盘设计

  由于晶圆是非常精细的物件,故运送方式是一个关键事项。在网板印刷时,应采用海边都较晶圓大1.5英寸的塑料或金属托盘来承载晶圆,托盘较大便可以让转印头有足够大的表面来涂敷及转动焊膏,使得焊膏完全渗入穿孔。

  设计适当托盘的另一重要因素是用来稳住晶圆的凹口,这个凹口的深度必须能让晶圆的上表面与托盘四周形成一个平面。晶圆凸起的托盘的图形见图2所示。

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  图二:晶圆凸起托盘,晶圆下面的真空信道有助于将晶圆牢牢地固定在托盘之上。

  网板设计

  网板可说是最重要的工具,必须正确设计才可达到高优良率的凸起佳绩。网板的作用是把焊膏分为一份一份精心计算的数量,分置于晶圆上的冶金粘结点。要成功创造出能达到无瑕疵结果的网板穿孔设计,而且高回流焊凸起紧密分布,特别是多行裸片垫排列的间距低于l0um并非易事。影响晶圆凸起的网板切割技术的项目包括网板厚度、穿孔大小、形状、定向和位置,  以及影像对齐。

  影响晶圆凸起网板印刷效果的基本设计事项-3

  网板切割技术

  对于晶圆凸起网板来说,切割技术必须能产生数以千计紧密分布、非常小型的穿孔,具有极高的尺寸和位置容差。稍微偏离最佳的穿孔尺寸也可以造成很大的凸起高度差异,在极端的情况下,导致已组装及底部填料的芯片开路。此外,穿孔的位置也必须保持准确,尽量贴近计算机生成的设计。由于晶圆上整块焊垫都必须完全印刷,以获得一块大小可以接受的回流焊凸起,当在紧密的焊垫间距条件下完成印刷后,必须让穿孔之间的空间充足,避免出现桥接瑕疵。因此,穿孔间的距离不应少于3mil(以3mil厚的网板来说)。在某些情况下穿孔需要偏移,避免完全置于焊垫中心。根据网板上特定区域的穿孔密度情况,可能只需印刷焊垫的某一部分。由于晶圆上的焊垫面积可以小于4mil,网板切割技术必须能准确地定位穿孔,偏移只可少于数微米。

  在市场现有的技术中,只有激光切割和电铸网板适用于复制计算机生成的原图,能配合有效晶圆印刷的要求。虽然很多不同的供货商采用相同的技术切割网板,但他们的能力却各有不同。一般来说,激光切割工艺会在穿孔壁面上留下粗透过特殊的抛光及电镀技术补救。激光切割另一项特点是网板上穿孔的壁面是有斜度的,网板一面的开孔尺寸较另一面稍大。有些建议指若较大的穿孔是在网板的底部,斜削的穿孔实际上可增强网板的焊膏释出。激光切割工艺的缺点是生产具有无数小穿孔的网板的成本高昂,穿孔的数量越多,生产激光切割网板的成本便越高。相反,生产电铸网板的原图的成本与设计的穿孔数量无关,  电铸网板的穿孔尺寸和位置与激光切割网板同样准确,而穿孔壁虽然并非自然斜削,但却比较平滑。

  网板厚度

  在决定需要多大的穿孔才能涂敷达到目标回流焊凸起高度所需的焊膏量时,网板金属箔片的厚度起着决定性的作用。根据晶圆凸起研究,建议选择网板厚度可按这个标准:网板上最小穿孔的壁面面积与穿孔开口面积的比例(即面积比例)小于1.75。

  穿孔尺寸

  在符合少于1.75建议面积比例的正确网板设计中,网板厚度及穿孔尺寸的关系非常密切。如果要求的焊膏量相同,较薄的网板需要较大的穿孔尺寸;较厚的模片则需要较小的穿孔尺寸。对于间距紧密的焊垫,有时候要找出最适当的穿孔尺寸和厚度组合,以获得可接受的转移效率。既满足焊膏量的要求,又不会令穿孔过于紧密,这是一项极具挑战性的工作。最大的网板设计挑战往往在于裸片的角落,而这种情况却很普遍。在设计斜削激光切割穿孔时应注意的另一个重要事项是:必须紧记,网板底部的开口面积必须大于顶部的,开口面积较大意味着穿孔之间的间距较小。

  穿孔形状

  网板印刷工艺中填料及释出步骤均受到穿孔形状的影响。要达到填料质量更加一致和优良,圆角的穿孔较尖角的有更佳效果,因为焊膏循微弯的边缘流动填充远较填满尖尖的角落容易得多,而椭圆及圆形的填料效果大大优于三角形和菱形的。不过,圆角穿孔在释出工艺方面却有不足之处。

  影响晶圆凸起网板印刷效果的基本设计事项-4

  穿孔定向    

  设计稳固的网板时穿孔的尺寸和几何是重要的考虑因素,但穿孔定向对回流焊凸起尺寸的分布的影响也不容忽略。除了要以最高的转移效率填上最大量的焊膏,而且不造成过多焊膏陷落引致桥接瑕疵外,尽量令晶圆上每块芯片的网板印刷焊膏量一致也是非常重要的。若回流焊膏形成的凸起的高度分布太宽,装配后便可能会出现开路或短路情况。较大型的凸起可能会黏着多个粘结垫或其它物件:凸起不足则无法黏着任何物件。通过设计穿孔定向合适的网板,可以改进对印刷精度的控制和焊膏涂敷的分布状況。


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  图三:如A排列穿孔的焊膏填充量可能与如 B排列穿孔的不一致。

  圆形穿孔没有定向的问题,因为任何角度对于目标的定向都是相同的;但方形则不然,在45°时会变成菱形。椭圆形和长方形穿孔的问题更严重,因为其东西定向、南北定向或任何角度定向都不一样,网板印刷焊膏填充穿孔的方式对相同尺寸和几何、但不同定向的穿孔也有不同。要达到一致的填料和释出,最好就是所有穿孔对印刷方向的定向一致:不过,如果没有在设计中加入某些技巧,这并不容易。

  方法之一是所有穿孔互相垂直,就如标准QFP组件所采用的穿孔定向策略。当移动至45°时,所有垂直穿孔便会成为斜对角,如图3所示。通常网板供货商可以把整个垂直定向的穿孔模式移动至45°,而晶圆也必须在网板下移动以作配合。此外,由于编排紧密的相邻长方形及椭圆形穿孔互相平行,以致有较大机会出现桥接瑕疵,因此把相邻的穿孔设计成互相垂直有助减低桥接瑕疵的可能性。

  影响晶圆凸起网板印刷效果的基本设计事项-5

  穿孔定位

  标准SMT应用如QFP或BGA器件的网板印刷,把焊膏涂敷在焊垫中央的位置,但印刷晶圆则鲜会如此,而是完全印刷整块焊垫,让焊膏量足以形成高度分布有效的回流焊膏凸起。在非常狭小的空间内,可能难以把穿孔与焊垫对称置放,并在相邻穿孔之间留有足够空间(即最少3mil),以防止桥接瑕疵。在这种情况下,建议焊膏应覆盖至少50%的焊垫,让焊膏熔液适当地撤回并完全聚结于焊垫上。此外,为了令撤回的过程理想,穿孔的中央(而非末端)最好偏离焊垫,如图4所示。 

 

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  图四:图中两种情况均为拉长椭圆形穿孔偏移焊垫置放,通过穿孔B印刷时,焊膏在回流焊期间被拉回焊垫的情形较好。

  对于单行周边排列方式的紧密间距焊垫来说,要进行大规模涂敷而避免桥接可能是一个难题。为芯片电气互连的引线粘结而设计的晶圆通常有这种配置。在这些情况下,可将穿孔制成窄长的拉长椭圆或长方几何形,并以交错模式排列,尽量分隔相邻的焊膏涂料。

 

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  图五:对于单列焊垫配置,在焊垫上涂敷大量焊膏并减低桥接风险的有效方法是将穿孔交错排列。

  图5是这种方式的例子,若空间充裕,这种交错排列方式也可以应用于多行焊垫布局。对于在裸片切割通道附近的焊垫,必须采用不存在任何非钝化金属的焊膏。有一点很重要的,就是穿孔不能被置放于其它不接受焊膏的外露金属特性部分(例如基准点、标记或商标)之上,这些特性部分可能对这种凸起方法的效力有着严重的影响,而且为网板穿孔置放工艺带来极大挑战。此外,也可能难以在裸片角落焊垫位置找到配合穿孔的足够空间。由于穿孔特性的最大限制来自这些方面,建议根据这些情况开始网板设计工艺,以避免在下游工艺出现可能的灾难性问题。

  结论

  网板印刷晶圆凸起技术是可用于生产的低成本方案,可替代蒸发或电镀等常规工艺技术。然而,随着I/0数目增加和间距不断减小,使用网板在这些焊点上印刷焊膏正变得越来越有挑战性,而且,对于与之匹配的材料(如焊膏、网板等)和工艺设计水准的要求也大大提高。因此,人们继续进行研究,以便更好地了解这些细节,从而达到进一步改进网板印刷晶圆凸起工艺之目的。


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