C.Christine Dong，Richard E.Patrick，Gregory K.Arslanian，Tim Bao，Kail Wathne，Phillip Skeen

(1.Air Products and Chemicals，Allentown，PA 18195-1501，USA；2.Sikama International，Inc.，Santa Barbara，CA 93101-2314，USA)

采用新型活化氫技術(shù)進(jìn)行大規(guī)模無助焊劑晶圓凸點(diǎn)回流焊

C.Christine Dong1*，Richard E.Patrick1，Gregory K.Arslanian1，Tim Bao1，Kail Wathne2，Phillip Skeen2

(1.Air Products and Chemicals，Allentown，PA 18195-1501，USA；2.Sikama International，Inc.，Santa Barbara，CA 93101-2314，USA)

介紹了Air Products和Sikama International共同努力獲得的一項(xiàng)新成果。一種以電子附著方式為基礎(chǔ)的新型活化氫技術(shù)被首次應(yīng)用于無助焊劑晶圓凸點(diǎn)回流焊。具有這項(xiàng)技術(shù)的原型焊爐的設(shè)計(jì)、制造及初步測試工作均已完成。這一成果即將推向市場。

電子附著技術(shù)；無助焊劑晶圓；回流焊

在元件尺寸不斷縮小、功能持續(xù)增加，以及使用新材料的推動(dòng)下，電子封裝技術(shù)已在近年來得到迅速發(fā)展。其中的關(guān)鍵是采用了晶圓凸點(diǎn)工藝和晶圓級芯片封裝工藝。晶圓凸點(diǎn)工藝通常包括以下步驟：先是在已形成集成電路的整個(gè)硅晶圓上將焊料以電鍍或其他方式沉積在需形成凸點(diǎn)的金屬墊上，然后以高于焊料熔點(diǎn)的溫度使晶片回流，從而完成焊料與金屬墊之間的金屬互連，并借助熔融焊料的表面張力使焊料從鍍態(tài)形狀變?yōu)榍蛐巍Ｔ谕瓿删A凸點(diǎn)工藝之后，晶圓被切成單個(gè)芯片，然后經(jīng)歷后續(xù)的封裝流程。在封裝件中，由焊料凸點(diǎn)形成的焊接聯(lián)點(diǎn)將被用作電氣、機(jī)械和安裝接點(diǎn)。本文所介紹的研究成果正是為了用于晶圓凸點(diǎn)工藝的最后一個(gè)步驟，即晶圓凸點(diǎn)回流焊。

成功進(jìn)行晶圓凸點(diǎn)回流焊的一個(gè)關(guān)鍵在于去除焊料表面的初始氧化膜，以及防止其回流期間再次生成氧化膜。一旦焊料表面存在任何氧化膜，就如同一層固態(tài)表皮會禁錮熔融焊料的流動(dòng)。這不僅導(dǎo)致回流后的凸點(diǎn)表面失去光澤，且造成整片晶圓上的凸點(diǎn)形狀不均。隨著凸點(diǎn)尺寸不斷縮小的趨勢，其表面氧化膜的清除也變得越發(fā)重要且更具挑戰(zhàn)。這是由于凸點(diǎn)比表面積的提高加上表面曲率的增大促進(jìn)了氧化膜的生成和增厚以降低其表面能。

目前，去除氧化物的常用方法是將助焊劑噴在晶圓表面，然后使其在氮?dú)猸h(huán)境中回流。但是，這種添加助焊劑的回流工藝很不清潔。有機(jī)助焊劑在受熱分解后總會留下殘留物及產(chǎn)生揮發(fā)物，這些物質(zhì)將不可避免地給晶圓和爐壁帶來污染。因此，回流后的晶圓必須進(jìn)行后續(xù)清理。此外，還需經(jīng)常清除凝結(jié)在爐壁上的助焊劑殘留，這導(dǎo)致了較高的維護(hù)成本和長時(shí)間停機(jī)。還有一些隨之而來的麻煩，例如助焊劑殘留以及含有殘留的清洗液均屬危險(xiǎn)廢物（對環(huán)境及人體有害），不得隨便處置，暴露在助焊劑的煙霧之中也不利健康，因此必須采取特殊的安全措施來一一應(yīng)對。除了與此相關(guān)的費(fèi)用及諸多不便之外，使用助焊劑的工藝直接影響晶圓凸點(diǎn)的回流質(zhì)量。例如，在回流過程中，助焊劑會進(jìn)入到熔化的焊料，其揮發(fā)物可導(dǎo)致凸點(diǎn)內(nèi)形成孔洞，從而降低封裝件中焊點(diǎn)的機(jī)械和電氣性能。隨著凸點(diǎn)尺寸和間距的不斷減小，對工藝清潔度的要求在不斷提升，而晶圓的后續(xù)清理也難度更大。這使得無助焊劑工藝得到越來越多的關(guān)注，其原理是利用還原氣體來代替有機(jī)助焊劑以去除氧化物。

但是，現(xiàn)有的無助焊劑技術(shù)都存在各種各樣的問題或限制。例如以甲酸蒸氣為還原氣，其回流焊工藝并未完全消除有機(jī)物殘留的污染，且必須在真空密封系統(tǒng)中操作。使用氫氣的無助焊劑工藝既清潔又無毒，但是該工藝必須應(yīng)用高溫(≥350℃)及純氫氣（易燃）才能激活和加速氧化物的還原過程。用等離子來活化氫氣雖可實(shí)現(xiàn)較低溫度下的有效還原，但是只有在真空條件下的等離子氫才顯現(xiàn)出對焊料氧化物的還原效果，而真空操作意味著只能采用間歇性的生產(chǎn)工藝。

本研究是以電子附著（EA）方式為基礎(chǔ)的一項(xiàng)新型無助焊劑技術(shù)，可以在大氣壓力和正?；亓鳒囟认聦Σ豢扇夹缘?dú)浠旌蠚猓錆舛龋?%體積）中的氫進(jìn)行活化。此項(xiàng)突破性專利技術(shù)由Air Products在近幾年研發(fā)成功，其關(guān)鍵是通過產(chǎn)生大量的低能電子，使得一些電子吸附在氫分子上形成氫負(fù)離子，從而有效還原氧化物。關(guān)于此項(xiàng)技術(shù)的基本原理以及還原氧化物的效率均已在發(fā)表過的文獻(xiàn)中有所介紹[1]。這一新型無助焊劑工藝不僅適用于連續(xù)生產(chǎn)線，且絕不會產(chǎn)生任何有機(jī)殘留，因而有望被應(yīng)用于電子封裝行業(yè)的諸多領(lǐng)域。本文重點(diǎn)介紹Air Products和Sikama International近期共同努力獲得的新成果，即初步試用通過了具有EA活化氫技術(shù)的原型回流爐，成功地實(shí)現(xiàn)了具生產(chǎn)規(guī)模的無助焊劑晶圓凸點(diǎn)回流焊。

1 試驗(yàn)結(jié)果

1.1 回流爐構(gòu)造及運(yùn)行測試

帶有EA活化氫技術(shù)的原型回流爐是一個(gè)直線開放式隧道爐（見圖1），可處理直徑最大為300 mm的晶圓。該爐具有8個(gè)溫度區(qū)，包括5個(gè)獨(dú)立控制的加熱區(qū)、一個(gè)水冷式入口區(qū)和兩個(gè)水冷式出口區(qū)。其中的5個(gè)加熱區(qū)又包括兩個(gè)預(yù)熱區(qū)、兩個(gè)EA區(qū)和一個(gè)回流區(qū)?；亓鳡t的加熱溫度最高可達(dá)400℃，由爐膛內(nèi)的上下電加熱板控制。水冷區(qū)被用來控制入口和出口處的溫度，由爐子的外接水系統(tǒng)控制?；亓魉脷怏w均由加熱板上的小孔進(jìn)入爐中，爐內(nèi)氧氣濃度通常低于5×10-6。

待回流的晶圓通過爐內(nèi)的滾軸輸送系統(tǒng)被連續(xù)地從爐子的入口端輸送到出口端（見圖2），其輸送速度可達(dá)1片/min，即60片/h的標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)速度。為保證晶圓在處理過程中處于電絕緣狀態(tài)，特采用陶瓷材料制成滾軸，且將晶圓與下部電加熱板隔離。這使得晶圓加熱形式為非接觸型加熱與強(qiáng)制熱對流型加熱。晶圓表面溫差可維持在±2℃，以確保整片晶圓回流時(shí)溫度的均勻性。這一獨(dú)特的滾軸輸送系統(tǒng)還保證了晶圓的傳送平穩(wěn)，直線運(yùn)動(dòng)，且無滑動(dòng)及空轉(zhuǎn)。此外，滾軸輸送的另一大特點(diǎn)是晶圓可以勻速跨越各個(gè)溫區(qū)，使回流時(shí)的溫度曲線平緩，無階梯式跳躍，因而有利于防止熔融焊料的飛濺成珠，且降低了焊料中氣孔生成的趨向。

圖1 具有EA活化氫技術(shù)的生產(chǎn)規(guī)模級原型爐用以晶圓凸點(diǎn)回流焊

圖2 在輥軸式輸送系統(tǒng)上的晶圓

圖3所示是回流爐中的一個(gè)EA區(qū)的狀態(tài)。一個(gè)含有大量針頭的電子發(fā)射裝置被安裝于EA區(qū)上部的加熱板上。不可燃性氮?dú)浠旌蠚猓錆舛龋?%體積）充滿整個(gè)區(qū)域空間。待回流的晶圓在滾軸上由預(yù)熱區(qū)逐步進(jìn)入且穿過EA區(qū)。晶圓表面被均勻暴露于EA活化氫的氣氛之中，從而達(dá)到去除焊料氧化物的目的。在完成了表面清理之后，晶圓開始經(jīng)歷回流和冷卻過程。

圖3 晶圓進(jìn)入EA區(qū)以去除焊料的表面氧化物

具有EA活化氫技術(shù)的原型回流爐完全由電腦控制。專有的軟件程序可存儲對應(yīng)于不同焊料的回流溫度曲線，監(jiān)測各個(gè)加熱區(qū)的溫度，并顯示EA及其他各項(xiàng)工藝狀況。如工藝中出現(xiàn)任何故障，設(shè)備將會自行對應(yīng)，且對操作人員發(fā)出警示。此外，遠(yuǎn)程用戶還可在電腦上進(jìn)行操控，并發(fā)送指令至設(shè)備端進(jìn)行執(zhí)行。

目前，這臺具生產(chǎn)規(guī)模的原型回流爐已積累了超過800 h的安全運(yùn)行記錄。在測試中，爐子的各項(xiàng)工藝參數(shù)均按生產(chǎn)狀況設(shè)定，且運(yùn)行時(shí)間為8 h/d，5 d/周。日常的啟動(dòng)和關(guān)閉回流爐使整體設(shè)備及控制系統(tǒng)都經(jīng)歷比常規(guī)生產(chǎn)時(shí)更加嚴(yán)峻的考驗(yàn)。其測試結(jié)果顯示具有EA活化氫技術(shù)的原型回流爐可安全可靠地運(yùn)行，進(jìn)行生產(chǎn)規(guī)模級的無助焊劑晶圓凸點(diǎn)回流焊。

1.2 回流質(zhì)量及電氣可靠性

為了評估無助焊劑回流的質(zhì)量，各種由客戶提供的帶有鍍態(tài)焊料凸點(diǎn)的仿真晶圓（8英寸和12英寸），被送進(jìn)EA回流爐進(jìn)行回流處理。圖4所示是鍍在鎳材表面上的錫基凸點(diǎn)在經(jīng)過回流之后的截面。焊料與其下金屬層所形成的金屬間化合物（IMC）具備合理厚度，證實(shí)了新工藝的回流時(shí)間和溫度符合要求。EA活化氫對于去除氧化物的效率也在多次試驗(yàn)中被充分顯示。圖5呈現(xiàn)了晶圓上的無鉛焊料在不同回流工藝下的形狀。

圖 4凸點(diǎn)截面顯示金屬間化合物（IMC）

回流之前的電鍍態(tài)呈圓柱形（見圖5a）。在未施加EA的情況下，氮?dú)浠旌蠚庵谢亓鞯耐裹c(diǎn)表面粗糙且形變不完全（見圖5b）。當(dāng)回流中施加了EA，凸點(diǎn)表面光滑，呈現(xiàn)球形表面（見圖5c），甚至比清理之后的助焊劑下回流的凸點(diǎn)質(zhì)量更好（見圖5d）。圖6進(jìn)一步展示了EA活化氫工藝可確保在300 mm（12英寸）寬的移動(dòng)晶圓表面，凸點(diǎn)形狀均勻一致。此外，回流后的晶圓表面沒有焊料及其他物質(zhì)的污染（見圖7）。

圖5 凸點(diǎn)形狀比較

圖 6 300 mm寬的移動(dòng)晶圓表面凸點(diǎn)形狀均勻一致

利用EA活化氫技術(shù)回流的整片仿真晶圓還被送回到相應(yīng)客戶進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量檢測，例如分析凸點(diǎn)的形狀、均勻性、剪切強(qiáng)度、失效模式以及內(nèi)孔洞。結(jié)果證實(shí)，在這一新工藝下回流的晶圓完全符合正常規(guī)格（即在氮?dú)庀率褂弥竸┗亓鞯囊?guī)格）。圖8和圖9所示是自動(dòng)光學(xué)檢測(AOI)的結(jié)果，200 mm晶圓上的凸點(diǎn)高度（BH）和直徑（BD）都在規(guī)范之內(nèi)。圖10顯示所有剪切失效均在凸點(diǎn)內(nèi)部且剪切強(qiáng)度明顯超出標(biāo)準(zhǔn)(＞2 g/mil2)。圖11呈現(xiàn)了芯片在回流后的X射線圖像，它表明凸點(diǎn)的內(nèi)孔洞（綠色）數(shù)量很低，且尺寸很小，一般僅為凸點(diǎn)截面的3%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于規(guī)定的上限（凸點(diǎn)截面的8%）。

圖7 回流后的晶圓表面無污染

圖 8凸點(diǎn)高度（BH）分布圖和數(shù)據(jù)

圖 9凸點(diǎn)直徑（BD）分布圖和數(shù)據(jù)

為了檢驗(yàn)回流爐中的EA環(huán)境是否對晶圓上的集成電路造成任何損壞，不同半導(dǎo)體廠家提供了具有預(yù)先測試記錄的功能芯片及功能晶圓。這些芯片和晶圓被送進(jìn)回流爐，暴露于EA環(huán)境之下，再由各提供廠家進(jìn)行后續(xù)功能的測試。其結(jié)果是所有芯片及晶圓均通過了后續(xù)測試，證實(shí)了EA活化氫工藝不會損壞晶圓和芯片的電氣功能。

圖10 凸點(diǎn)剪切失效和數(shù)據(jù)

圖11 芯片的X射線圖像

2 結(jié) 論

在Air Products和Sikama International的共同努力之下，一種以電子附著方式為基礎(chǔ)的新型活化氫技術(shù)被首次應(yīng)用于生產(chǎn)規(guī)模的無助焊劑晶圓凸點(diǎn)回流焊。具有這項(xiàng)技術(shù)的原型焊爐的設(shè)計(jì)、制造及初步測試工作均已完成。試驗(yàn)結(jié)果表明，晶圓凸點(diǎn)的回流質(zhì)量能夠滿足客戶的各項(xiàng)規(guī)格，新工藝不會對晶圓上的電氣功能造成損壞，且回流爐運(yùn)行安全可靠。

這一晶圓凸點(diǎn)回流焊的新工藝能夠?yàn)橛脩魩硪韵乱嫣帲?)消除了由助焊劑引起的凸點(diǎn)孔洞和晶圓污染，因而可提高回流質(zhì)量；2)晶圓無需回流后的清洗工序，且免除了因清理爐壁導(dǎo)致的停機(jī)，從而可提高生產(chǎn)效率；3)節(jié)省了為清洗晶圓而帶來的設(shè)備成本、清洗液費(fèi)用、人工費(fèi)用及助焊劑本身的費(fèi)用，從而降低了整體生產(chǎn)成本；4)避免操作人員暴露于助焊劑環(huán)境，且使用無毒及不可燃?xì)怏w，因而可大大提高工藝操作的安全性；5)完全消除了有機(jī)揮發(fā)氣體、危險(xiǎn)廢物殘留以及CO2的排放，因此更加環(huán)保。

[1] C.Christine Dong、Richard E.Patrick、Russell A. Siminski和Tim Bao.活化氫氣氛下的無助焊劑焊接[C].中國上海CSTIC 2016會議記錄，M11010ar.15-17，2016，VIIA 1520-1535.

Production-scale Flux-free Bump Reflow Using Electron Attachment

C.Christine Dong1*，Richard E.Patrick1，Gregory K.Arslanian1，Tim Bao1，Kail Wathne2，Phillip Skeen2

(1.Air Products and Chemicals，Allentown，PA 18195-1501，USA；2.Sikama International，Inc.，Santa Barbara，CA 93101-2314，USA)

This paper introduces a recent work by a joint effort between Air Products and Sikama International on alpha trials of a production-scale furnace for flux-free wafer bump reflow based on electron attachment(EA).

Electron attachment(EA)；Flux-free wafer；Reflow

TN604

A

1004-4507(2017)03-0001-06

2017-05-05