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设计理想的晶圆凸起板印刷工艺(上)

目前，业界有几种技术可用于在晶圆的焊垫上涂敷焊料混合物，这种技术被称之为晶圆凸起工艺。采用板印刷进行晶圆凸起加工，作为一种可节省成本的大批量生产方案，而广受欢迎。但随着I/O数目增加和间距不断缩小，这种使用板在焊点上印刷焊膏的方法变得更有挑战性，与之匹配的工艺设计水准要求也大大提高。

为何采用板印刷方法？

业界三种最著名的晶圆凸起方法—板印刷、蒸发及溅射或电镀，各有其优缺点（表一）。选择何种方法，除了需要考虑公司的工艺路卷帘门线图，更重要的是需要考虑众多的参数，包括凸起间距、凸起高度、晶圆基底材料、晶圆厚度、晶圆尺寸、凸起一致性，以及凸起材料。

设备和材料

晶圆凸起印刷方法的设计，与标准表面安装装配生产线的工具兼容，所以在升级或改造现有的大型设备时无需额外的投资。

然而，板印刷机应配备精密的光学装置。对位系统应当能够识别所处理晶圆上的非标准参考点，包括焊垫边角、特殊标志、标记，或其它即测试其断裂强度与背景覆盖物对比鲜明的金属化特征。

在印刷过程中，为了确保安全地处理精密的晶圆，需要使用刚性托盘来支持晶圆。

晶圆凸起通常使用水溶性焊膏。凸起必须清洁，易于随后的倒装芯片装配过程中进行助熔处理，以达到稳定的润湿和一致的粘结；另外，最大限度地减少在凸起上或凸起之间积聚的任何残余物，可使装水泥罐配后倒装芯片底部充胶工艺更为可靠。至今，市场上尚无能够实现无残余物焊点的商业用非清洁型焊膏材料。

工艺步骤

晶圆凸起印刷

工艺与 FR-4 基底上进行印刷是相似的。首先将晶圆放置在托盘上，通过传送带传送至板印刷机；然后，对于刮刀印刷方式，先将焊膏搅动30至60秒，准备好以便进行装填，这是均匀地涂敷助焊剂和焊锡粉，并将焊膏稀释至合适稠度的重要步骤，（使用具有自动灌注和搅和焊功能的卡盒式封闭印刷头系统，这个步骤可以省去）；接着，将焊膏涂敷到板上之后，印刷机的视像系统就查找所有的参考点，在整个板表面清洁地擦拭焊膏，将其注入所有的开孔中；最后，托盘和晶圆从印刷机中传送出来。

定位校验

采用显微镜进行焊膏沉积定位校验，焊膏沉积物应正确对位以覆盖所有焊垫，这是因此从整体看保证稳固的回流焊工艺的关键排尘系统要素。对于高密度的精细间距配置，实现完美的印刷对位是颇具挑战性的任务，有时需要对手动偏移对准位置进行编程。

回流焊

一旦完成焊膏对位的校验，已印好的晶圆就可在强制对流型炉中进行回流焊。

清洗和烘干

在清洁工序中，用温和的去离子水清洗晶圆，除去水溶性助焊剂。然后用清洁的强制对流空气或氮气烘干晶圆。最后，建议对晶圆进行两小时的125℃脱水烘焙，去除晶圆在清洗过程中可能吸收的任何水分。

清洁板

板的清洁度铁框也是至关重要的，即使在单次印刷行程后，板开孔内壁也会积聚不少的焊膏残余物，它会很快变干并玷污后来的印刷行程。

影响晶圆凸起良率的工艺参数

许多变量会严重地影响采用这种凸起方法的晶圆的质量或良率。通常用已知好裸片(known good die, KGD)数值来表示晶圆凸起工艺的性能。成功实施晶圆印刷工艺需考虑的最重要因素包括：焊膏、印刷环境 (环境和湿度)、印刷机设置、回流焊状况以及清洁选项。

焊膏

焊膏的一个重要特性是颗粒尺寸和分布，这主要取决于焊膏沉积的数量要求，以及板开孔的大小。一般认为，焊膏的颗粒分布应是能让至少三个最大的焊球直径符合板上最小开孔的宽度，这就是有名的“三球定律”。焊料颗粒的分布和密度直接影响焊膏的流变特性，也影响其在板印刷机上的性能。

在进行晶圆板印刷时，最好使用最精细的焊料粉末；据报道 Sn63/Pb37 V 型焊膏颗粒分布的金属含量达 90%，可有效地用于 8 mil 间距焊垫凸起加工，凸起高度达到 5 mil。

用于晶圆印刷的焊膏，其暴露时间和有效寿命周期的限制都比 SMT 焊膏的标准值短。为了使焊膏的寿命周期达到最大值，只要印刷机处于空闲状态，就应当将焊膏从板上移开。使用封闭转印制的一个重要优势是焊膏总是处于封闭状态，并与周围环境相隔离。

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