无铅环境下助焊剂和下填料的兼容问题
作者：Renzhe Zhao, Qing Ji, George Carson, Michael Todd, Gary Shi; electronics group of Henkel
自从20年前引入倒装芯片集成技术之后，在现代器件中采用该技术的优势已经得到了充分的证明。在封装体或电路板上通过设计，将芯片有源面翻转粘结到基板上，可以获得像更短和更有效的互连、更低的电感值、更高的工作频率、更好的杂波控制、更高的密度、更多的I/O数以及更小的器件外形等优点。
尽管有很多优点，但倒装芯片技术仍然有一些挑战。需要解决的障碍有热处理能力、在焊料连接上引起的后续应力以及用于缓解这些应力而采用的底部填充料和助焊剂的兼容性问题。当将倒装芯片直接在基板上进行回流互连时， 在芯片和基板之间会产生非常巨大的热膨胀系数（CTE）失配。由于这种CTE的差异，在组装的热循环过程中会在焊料连接位置产生热-机械应力，最终会导致器件的早期失效。为了缓解这种应力并改进焊料连接的可靠性，一般需要采用底部填充技术。尽管有多种底部填充技术，例如非流动（或者助焊剂型）底部填充料和晶圆级预涂底部填充料，本文的重点仍是最为常见的倒装芯片底部填充料技术：毛细管流动型底部填充料。
基本的毛细管底部填充工艺
如果在倒装芯片中采用毛细管流动型底部填充技术，其工艺与芯片尺寸封装（CSP）底部填充工艺类似。首先用芯片放置机器拾取芯片，之后通过浸蘸方法将助焊剂沾到焊料凸点（或者通过喷涂助焊剂的方法将其涂覆到焊盘上），再将芯片放置到封装基板上，完成芯片回流焊、然后进行毛细管底部填充料的填充和固化（图1）。在倒装芯片组装工艺中，由于助焊剂主要用于去除焊料凸点和焊盘金属表面的氧化层，可以使焊料更好地浸润并得到更好的焊料连接，因此其放置步骤非常关键。在倒装芯片组装中使用的粘性助焊剂在焊料再流之前还有防止芯片偏移的作用，这对于形成可靠的连接和最终产品的长期可靠性来说都非常重要。
无铅挑战和底部填充料/助焊剂兼容性
尽管对于倒装芯片工艺的成功来说助焊剂非常重要，但它也会与底部填充料产生冲突，例如免清洗型助焊剂产生的残留会与底部填充料反应，并产生工艺问题或成品率降低。1一旦进行了回流焊之后，助焊剂的残留很可能会造成底部填充料孔洞和/或分层现象。由于采用了无铅焊料，相对较高回流温度会改变助焊剂残留和底部填充料的固有性能；这样助焊剂兼容问题就变得更加突出。
为了检验这一结论，我们研究了多种不同商用助焊剂和底部填充料系统，并在无铅组装环境中检验其兼容性。
研究设计及结果
研究中采用了五种商用助焊剂和十多种不同化学系统的底部填充料。测试的元件为14.4× 14.4mm的倒装芯片，带有氮化硅钝化层和Sn/3.5Ag/0.5Cu凸点金属系统，凸点为完全面阵列排布，共3840个凸点，节距为225μm。测试的封装基板为四层10mm厚的双马来酰亚胺三嗪（bismaleimide triazine, BT）基板，表面为PSR4000 AUS5焊料掩膜。基板的焊盘为化学镀镍/浸金（electroless nickel/immersion gold, ENIG）金属系统。
倒装芯片组装工艺由以下几步组成： 沾2mil的助焊剂，峰值温
度为245℃的回流焊，以及在90℃完成底部填充。底部填充料固化之后，对组装器件进行JEDEC三级潮湿测试，之后进行三次260℃回流焊。再采用超声显微镜和剥面检查对分析和验证。
结果显示，助焊剂的兼容问题会以两种方式影响倒装芯片组装。在底部填充工艺中，焊料凸点、基板或者芯片上的助焊剂残留薄膜会通过改变底部填充料的润湿特性改变它的流动特性。在助焊剂残留和底部填充料的化学成分不兼容的情况中，会产生底部填充料孔洞。这种现象的两个例子见图2所示，左图显示焊料球表面润湿较差的情况，右图显示的是芯片钝化层润湿不足的情况，这两种情况都会产生孔洞。
研究数据证实了助焊剂残留会影响倒装芯片组装可靠性，这种影响是通过极大降低底部填充料和表面（电路板或者芯片）之间的界面粘接性实现的。当器件受到例如温度变化和/或吸湿之类的环境应力时，会在这些界面之间产生分层的现象。图3所示的界面图像为三次JEDEC 260℃回流焊测试之后的分层现象。在底部填充料和助焊剂残留界面之间的分层会沿着基板向焊料掩膜方向扩展。
需要指出的是，在有时候助焊剂残留可能会底部填充料影响很小，但可能会在其他地方造成较大损害。举例来说，我们看到助焊剂残留不影响基板与底部填充料分层，却引起了芯片与底部填充料的分层这种情况。
此外，助焊剂兼容性问题与化学性能关系密切，这样的结论并不令人意外。在本次研究中采用的多种底部填充料系统都在很大范围内与助焊剂兼容，而其他一些仅仅与一或两个助焊剂兼容。图3所示的底部填充料-助焊剂系统会导致分层，而同样的底部填充料与另一种助焊剂配合却可以得到很好的结果（图4）。
因此，制造商该如何解决这一兼容性难题？目前有几种选择，显然的做法是采用与助焊剂兼容的底部填充料或者与底部填充料兼容的助焊剂。但这需要对每种产品都进行多次测试和分析，这样做并不实际而且周期较长。建议的做法是对所有的助焊剂——无论是水溶性或免清洗型的——都进行一步清洁工艺去除助焊剂残留。然而，在成本考虑和更短工艺周期的大环境下，这将带来额外的开销并延长了工艺时间。另外，尽管进行了助焊剂清洁，但由于并非是完全彻底的工艺，仍可能存在助焊剂残留。因此，成本最低并最为可靠的方法是开发出稳定的兼容性得到证明，可靠性得到保证的助焊剂和底部填充料组合。
结论和未来的开发工作
助焊剂和底部填充料的兼容问题是倒装芯片组装供应商面临的一个棘手的难题，特别是在无铅应用的高温环境中尤为突出。由于底部填充料和助焊剂的不兼容，会造成孔洞和分层问题，最终导致破坏性的器件失效。面对这一问题，最可行并且成本最低的方案是开发出下一代助焊剂和底部填充料的材料组合，并配合使用。新的材料目前这处在研究和开发阶段；用于含铅和无铅应用的最新粘性助焊剂和高级胺类底部填充料系统很快就会面市。倒装芯片技术本身的优势远远超过了潜在的工艺问题；器件制造商和材料供应商必须协同工作，以保证这种先进产品技术的可靠性。
参考文献
1. G. Carson and M. Edwards, “Factors Affecting Voiding in Underfilled Flip Chip Assemblies,” Proc. Technical Program, SMTA International, 2001.
