設計理想的晶圓凸塊模板印刷工藝

　　目前，業界有幾種技術可用于在晶圓的焊墊上涂敷焊料混合物，這種技術被稱之為晶圓凸起工藝。采用網板印刷進行晶圓凸起加工，作為一種可節省成本的大批量生產方案，而廣受歡迎。但隨著I/O數目增加和間距不斷縮小，這種使用網板在焊點上印刷焊膏的方法變得更有挑戰性，與之匹配的工藝設計水準要求也大大提高。

　　為何采用網板印刷方法？
　　業界三種最著名的晶圓凸起方法—網板印刷、蒸發及濺射或電鍍，各有其優缺點（表一）。選擇何種方法，除了需要考慮公司的工藝路線圖，更重要的是需要考慮眾多的參數，包括凸起間距、凸起高度、晶圓基底材料、晶圓厚度、晶圓尺寸、凸起一致性，以及凸起材料。

　　設備和材料
　　晶圓凸起印刷方法的設計，與標準表面安裝裝配生產線的工具兼容，所以在升級或改造現有的大型設備時無需額外的投資。
　　然而，網板印刷機應配備精密的光學裝置。對位系統應當能夠識別所處理晶圓上的非標準參考點，包括焊墊邊角、特殊標志、標記，或其它與背景覆蓋物對比鮮明的金屬化特征。
　　在印刷過程中，為了確保安全地處理精密的晶圓，需要使用剛性托盤來支持晶圓。
　　晶圓凸起通常使用水溶性焊膏。凸起必須清潔，易于隨后的倒裝芯片裝配過程中進行助熔處理，以達到穩定的潤濕和一致的粘結；另外，最大限度地減少在凸起上或凸起之間積聚的任何殘余物，可使裝配后倒裝芯片底部充膠工藝更為可靠。至今，市場上尚無能夠實現無殘余物焊點的商業用非清潔型焊膏材料。

　　工藝步驟
　　晶圓凸起印刷
　　工藝與 FR-4 基底上進行印刷是相似的。首先將晶圓放置在托盤上，通過傳送帶傳送至網板印刷機；然后，對于刮刀印刷方式，先將焊膏攪動30至60秒，準備好以便進行裝填，這是均勻地涂敷助焊劑和焊錫粉，并將焊膏稀釋至合適稠度的重要步驟，（使用具有自動灌注和攪和焊功能的卡盒式封閉印刷頭系統，這個步驟可以省去）；接著，將焊膏涂敷到網板上之后，印刷機的視像系統就查找所有的參考點，在整個網板表面清潔地擦拭焊膏，將其注入所有的開孔中；最后，托盤和晶圓從印刷機中傳送出來。
　　定位校驗
　　采用顯微鏡進行焊膏沉積定位校驗，焊膏沉積物應正確對位以覆蓋所有焊墊，這是保證穩固的回流焊工藝的關鍵要素。對于高密度的精細間距配置，實現完美的印刷對位是頗具挑戰性的任務，有時需要對手動偏移對準位置進行編程。
　　回流焊
　　一旦完成焊膏對位的校驗，已印好的晶圓就可在強制對流型爐中進行回流焊。
　　清洗和烘干
　　在清潔工序中，用溫和的去離子水清洗晶圓，除去水溶性助焊劑。然后用清潔的強制對流空氣或氮氣烘干晶圓。最后，建議對晶圓進行兩小時的125℃脫水烘焙，去除晶圓在清洗過程中可能吸收的任何水分。
　　清潔網板
　　網板的清潔度也是至關重要的，即使在單次印刷行程后，網板開孔內壁也會積聚不少的焊膏殘余物，它會很快變干并玷污后來的印刷行程。

　　影響晶圓凸起良率的工藝參數
　　許多變量會嚴重地影響采用這種凸起方法的晶圓的質量或良率。通常用已知好裸片(known good die, KGD)數值來表示晶圓凸起工藝的性能。成功實施晶圓印刷工藝需考慮的最重要因素包括：焊膏、印刷環境 (環境和濕度)、印刷機設置、回流焊狀況以及清潔選項。
　　焊膏
　　焊膏的一個重要特性是顆粒尺寸和分布，這主要取決于焊膏沉積的數量要求，以及網板開孔的大小。一般認為，焊膏的顆粒分布應是能讓至少三個最大的焊球直徑符合網板上最小開孔的寬度，這就是有名的“三球定律”。焊料顆粒的分布和密度直接影響焊膏的流變特性，也影響其在網板印刷機上的性能。
　　在進行晶圓網板印刷時，最好使用最精細的焊料粉末；據報道 Sn63/Pb37 V 型焊膏顆粒分布的金屬含量達 90%，可有效地用于 8 mil 間距焊墊凸起加工，凸起高度達到 5 mil。
　　用于晶圓印刷的焊膏，其暴露時間和有效壽命周期的限制都比 SMT 焊膏的標準值短。為了使焊膏的壽命周期達到最大值，只要印刷機處于空閑狀態，就應當將焊膏從網板上移開。使用封閉轉印制的一個重要優勢是焊膏總是處于封閉狀態，并與周圍環境相隔離。
　　溫度和濕度
　　環境的主要影響是水分會被吸收進組件、基底，特別是焊膏中。對比非清潔型焊膏，水溶性晶圓凸起焊膏對這些環境變化更為敏感。如果相對濕度水平超過60%，水分便會進入水溶性焊膏中；相反，如果相對濕度低于40%，則會引起焊膏過早變干。無論哪種情況，都會改變焊膏的印刷性能，網板印刷工藝也會大大偏離正常，成為裝配工藝中受影響最大的環節。建議將溫度保持在21℃至25℃之間，相對濕度水平維持在40% 和60% 之間；并且與設置點的偏差應盡可能減小。
　　印刷機設置
　　如今的網板印刷機提供多種印刷壓力、速度和分離速度，加上可以選擇數種不同的印制頭裝備和許多現代化的焊膏配方，使得精選合適的印刷參數成為一項并不簡單的工作。
　　封閉式印制頭的出現為晶圓凸起工藝帶來重大的益處。對于這類焊膏涂敷系統，可接受的工藝窗更廣闊，允許設置范圍更大的印刷參數，從而更好地控制印刷介質的整體環境，以獲得高質量的印刷結果。金屬成分較高的焊膏可用于這類系統，施加獨立的涂敷力，將焊料合金材料直接注入網板開孔中，獲得更完美的焊膏涂敷形狀。一般地，應在焊膏上施加足夠大的直接壓力，以形成良好的涂敷點，而沒有多余的焊膏溢出。擦拭器的壓力恰好足夠即可，這樣可在整個印刷過程中維持網板表面的清潔。如果需要，可將印制頭的速度提高至超出刮刀印刷方法的限制，仍可獲得良好的印刷清晰度。
　　回流爐配置
　　標準表面安裝裝配線的回流爐適合于在晶圓表面形成堅固的球形凸起。業界認為帶有頂部和底部氮氣環境加熱裝置并具有低氧PPM水平的強制對流回流爐，可提供最優的性能。傳導回流爐也可理想地應用于晶圓加工。
　　回流爐變量可能影響晶圓良率和缺陷水平，但目前有關的實驗信息還相當有限。有觀點稱，回流焊工藝的穩固性可能與焊膏的大小和定向有關。而且，濕焊膏覆蓋焊墊的百分比越高，在回流焊過程中阻力特性就越好，焊膏越容易在焊墊上形成正確的球形。

　　回流焊工藝參數包括預熱快速升溫，以達到150℃ ±10℃的助焊劑活化溫度平臺，接著是急劇跳至220℃ ±10℃，高于合金的液態溫度，最后是快速冷卻階段（這是對Sn63/Pb37合金的建議）。在回流焊過程中，晶圓在每個溫度區域的停留時間是相當重要的，應當根據焊膏供應商提供的技術規格，精確地控制溫度上升/下降速率。
　　去除助焊劑殘余物
　　回流焊和清洗之間的時間間隔越長，去除助焊劑的困難就越大。
　　成功實施網板印刷晶圓凸起工藝，需要提高與之匹配的材料(如焊膏、網板等)和工藝設計水準的要求。另外，影響晶圓凸起工藝的重要設計參數還包括：倒裝芯片粘接焊墊設計、焊墊尺寸/形狀、焊墊間距/定位、凸起下部金屬化、托盤設計、網板設計、網板厚度、開孔尺寸/形狀、開孔方向及開孔定位。只有深入了解影響這項工藝的眾多設計策略，才能獲得卓越的成果。