湯姝莉，趙國(guó)良，張 健，薛亞慧

（西安微電子技術(shù)研究所，西安 710119）

1 引言

引線鍵合技術(shù)和倒裝焊接是集成電路互連的2 種主要方式。引線鍵合技術(shù)需在芯片四周分布焊盤并通過(guò)引線與基板進(jìn)行互連，互連密度則因此受限于芯片尺寸、基板布線能力及鍵合工藝等因素，鍵合工藝可實(shí)現(xiàn)的芯片互聯(lián)I/O 數(shù)同時(shí)也受到限制。而倒裝焊接可通過(guò)在芯片整個(gè)有源面進(jìn)行布線及陣列式I/O 排布，并利用倒裝焊技術(shù)通過(guò)芯片表面的微凸點(diǎn)與基板或直接與管殼進(jìn)行互連，微凸點(diǎn)既能夠作為機(jī)械支撐也可實(shí)現(xiàn)電氣互連，顯著提高了芯片單位面積I/O 數(shù)及組裝密度；同時(shí)將水平的信號(hào)傳輸方向部分轉(zhuǎn)變?yōu)樾酒怪狈较?，大大縮短了信號(hào)傳輸距離，為實(shí)現(xiàn)高速信號(hào)傳輸?shù)於嘶A(chǔ)。因此倒裝焊接可大大促進(jìn)電子產(chǎn)品的小型化、輕量化、多功能化，滿足集成電路的高集成度及重要領(lǐng)域微電子器件高性能、高密度、高可靠性的需求[1-3]。

與常見(jiàn)的表面貼裝焊接工藝相同，倒裝焊接也需要用到助焊劑，因此焊后需對(duì)助焊劑進(jìn)行清洗。若清洗不凈，殘留的助焊劑除了會(huì)造成表面污染，容易導(dǎo)致焊點(diǎn)氧化或腐蝕，還會(huì)阻礙倒裝焊芯片底部填充膠的流動(dòng)及固化，影響產(chǎn)品的性能及可靠性[4-6]。

微電子行業(yè)內(nèi)常用的焊后清洗方法有清洗液浸洗或刷洗、汽相清洗、真空汽相清洗等工藝[7-9]。清洗時(shí)使用的清洗液根據(jù)對(duì)不同成分助焊劑等污染物的溶解性，可分為水基與CFC 基、醇基、碳?xì)浠?、烴基等有機(jī)溶劑型2 類[10-11]，可依據(jù)實(shí)際情況選擇溶劑清洗、水清洗及半水清洗方法，即先用溶劑型清洗液噴淋，再用去離子水進(jìn)行漂洗[12-13]。

對(duì)于傳統(tǒng)的印制板表貼焊接工藝，焊后通常采用直接在清洗液中浸洗、擦洗或利用毛刷刷洗的方式對(duì)助焊劑進(jìn)行清洗[14]。印制板上表貼的一般為塑封、陶封器件，且器件間距較大，毛刷刷洗能夠達(dá)到較好的清洗效果，器件也不易受到機(jī)械損傷。然而對(duì)于倒裝焊裸芯片，一方面裸芯片容易損傷，不適于進(jìn)行刷洗；另一方面助焊劑更容易在芯片與基板的縫隙中殘留，且縫隙寬度小于芯片凸點(diǎn)直徑，而刷洗僅能清潔器件或基板表面，無(wú)法對(duì)如此微細(xì)的縫隙中進(jìn)行清洗。因此傳統(tǒng)的浸洗或刷洗雖然操作簡(jiǎn)單、對(duì)設(shè)備要求較低，但不適用于倒裝焊工藝。而汽相清洗、真空汽相清洗有別于傳統(tǒng)的機(jī)械清洗，可通過(guò)加熱汽相清洗溶劑至沸騰，溶劑蒸汽接觸被清洗器件后凝結(jié)同時(shí)帶走污染物，并在設(shè)備中進(jìn)行循環(huán)，利用始終純凈的蒸汽實(shí)現(xiàn)清洗器件的目的，具有振動(dòng)少、損傷小、效率高等優(yōu)勢(shì)，更加適用于高可靠、高密度、小間隙的電子產(chǎn)品清洗[15-16]。

本文利用汽相清洗與真空汽相清洗2 種方法對(duì)倒裝焊后的芯片/硅基板組件進(jìn)行助焊劑清洗，并對(duì)比不同工藝參數(shù)條件下的清洗效果，研究助焊劑殘留對(duì)底部填充膠流動(dòng)及固化過(guò)程的影響，針對(duì)多凸點(diǎn)、細(xì)間隙倒裝焊結(jié)構(gòu)探索得到有效的清洗技術(shù)。

2 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)選用焊球凸點(diǎn)陣列排布的硅芯片和硅基板進(jìn)行互連形成倒裝焊組件。芯片尺寸為9.7 mm×10.1 mm，共包含2975 個(gè)凸點(diǎn)，凸點(diǎn)直徑/ 節(jié)距為φ90 μm/180 μm。硅基板尺寸為15 mm×23 mm，并利用電鍍工藝在直徑為90 μm 的焊盤表面制備了SnAg凸臺(tái)，芯片及硅基板外觀見(jiàn)圖1。

首先采用倒裝焊設(shè)備吸拾芯片，蘸取膏狀助焊劑后，通過(guò)對(duì)位標(biāo)記完成芯片與硅基板的倒裝焊對(duì)位，再利用真空釬焊爐將完成對(duì)位的倒裝焊組件進(jìn)行回流焊接，通過(guò)SnAg 凸臺(tái)的熔化及凝固過(guò)程形成與芯片凸點(diǎn)的連接。

圖1 倒裝焊芯片及硅基板形貌

將焊接后的芯片/硅基板組件進(jìn)行分組，分別利用汽相清洗與真空汽相清洗2 種工藝進(jìn)行組件的清洗，并采用不同的清洗參數(shù)，如表1、表2 所示。

試驗(yàn)中由于汽相清洗及真空汽相清洗設(shè)備不同，過(guò)程及參數(shù)設(shè)置也有所區(qū)別。汽相清洗過(guò)程分為兩個(gè)階段：①沸騰區(qū)蒸汽清洗；②漂洗區(qū)清洗液漂洗。試驗(yàn)進(jìn)行了5 min、10 min 2 組沸騰區(qū)時(shí)間及1 min、5 min、10 min 3 組漂洗區(qū)時(shí)間的對(duì)比。真空汽相清洗的過(guò)程為：①預(yù)清洗循環(huán)；②正式清洗循環(huán)；③最終蒸汽漂洗；④真空干燥。預(yù)清洗與正式清洗均為蒸汽脫脂—噴淋—浸沒(méi)噴淋3 個(gè)步驟的循環(huán)過(guò)程，可通過(guò)調(diào)節(jié)各步驟的持續(xù)時(shí)間及循環(huán)次數(shù)控制預(yù)清洗循環(huán)及正式清洗循環(huán)的時(shí)間。由于焊后助焊劑放置時(shí)間越長(zhǎng)越易影響清洗效果，為了排除其他因素，各倒裝焊組件樣品進(jìn)行清洗時(shí)的焊后放置時(shí)間均控制在1h 以內(nèi)。

表1 倒裝焊組件樣品汽相清洗工藝參數(shù)

表2 倒裝焊組件樣品真空汽相清洗工藝參數(shù)

清洗完成后取1 只樣品，將芯片取下觀察硅基板及芯片表面助焊劑殘留情況。另取1 只樣品，利用填充膠進(jìn)行底部填充，觀察填充膠的流動(dòng)情況，在同樣條件下對(duì)比膠的固化效果及填充效果，以研究殘留的助焊劑或清洗液對(duì)底部填充過(guò)程的影響。所用填充膠的黏度為7.5 Pa·s，具有優(yōu)異的流動(dòng)性。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 不同清洗方式及參數(shù)的影響

汽相清洗與真空汽相清洗兩種方式具有相似的機(jī)理，二者均將溶劑加熱成為高溫蒸汽，利用高溫蒸汽將器件表面及縫隙中的沾污等多余物質(zhì)進(jìn)行軟化，再通過(guò)清洗溶劑對(duì)其進(jìn)行漂洗。

二者區(qū)別在于真空汽相清洗設(shè)備可提供真空環(huán)境，并且可對(duì)多個(gè)清洗步驟分別進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)清洗過(guò)程的精細(xì)調(diào)控。首先在預(yù)清洗階段利用溶劑升溫形成的蒸汽對(duì)器件進(jìn)行預(yù)熱，同時(shí)蒸汽對(duì)器件表面沾污產(chǎn)生軟化及脫脂效應(yīng)，大幅度降低后續(xù)的清洗難度。接著通入清洗劑進(jìn)行浸沒(méi)及噴淋，對(duì)污染物進(jìn)行充分清洗。一般蒸汽脫脂（漂洗）、噴淋、浸沒(méi)噴淋作為一個(gè)清洗循環(huán)，可根據(jù)實(shí)際需要重復(fù)此循環(huán)。最終再通入潔凈的蒸汽對(duì)器件進(jìn)行汽相清洗，并在真空環(huán)境下進(jìn)行干燥。所有的清洗過(guò)程均在真空下完成，既保證了設(shè)備的安全性，又能夠降低溶劑表面張力，實(shí)現(xiàn)超細(xì)間隙倒裝焊結(jié)構(gòu)的清洗。

將利用不同方法或參數(shù)清洗后的各樣品在OLYMPUS SZ61 型顯微鏡下進(jìn)行表面觀察，并由樣品側(cè)面觀察芯片與基板的縫隙，最后將倒裝焊樣品沿芯片中線截?cái)?，確認(rèn)芯片中心部位底部的清洗效果，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 倒裝焊組件樣品清洗效果

由結(jié)果可以看出，利用汽相清洗在短時(shí)間內(nèi)無(wú)法將芯片及硅基板表面的助焊劑進(jìn)行有效清洗，清洗后的表面見(jiàn)圖2(a)?？偳逑磿r(shí)間需15～20 min 以上才能將倒裝焊組件表面的助焊劑基本清洗干凈，見(jiàn)圖2(b)。但是即使延長(zhǎng)了清洗時(shí)間，由芯片側(cè)面觀察其與硅基板的縫隙時(shí)發(fā)現(xiàn)邊緣凸點(diǎn)之間仍殘留有大量助焊劑或清洗液，且并未隨著清洗時(shí)間的延長(zhǎng)而獲得改善，如圖2(c)所示。因此說(shuō)明非真空環(huán)境下的汽相清洗由于清洗液表面張力導(dǎo)致清洗液無(wú)法進(jìn)入極細(xì)微的縫隙，不適用于裸芯片倒裝焊、BGA 等具有數(shù)百微米以下極細(xì)微縫隙結(jié)構(gòu)的清洗，尤其是尺寸較大的芯片，其中心位置的底部縫隙基本無(wú)法得到清洗。

利用真空汽相清洗則基本能夠?qū)⒌寡b焊芯片及硅基板表面清洗干凈，清洗后的組件表面見(jiàn)圖3(a)。由倒裝焊芯片側(cè)面觀察其與基板間隙邊緣，可以發(fā)現(xiàn)除清洗時(shí)間最短的2-1 組樣品外，其余樣品均未觀察到間隙有殘留的助焊劑，如圖3(b)所示。接著將芯片由中間截?cái)?，觀察芯片中心部位縫隙中的形貌，見(jiàn)圖3(c)?？梢园l(fā)現(xiàn)通過(guò)真空汽相清洗，即使是清洗液或蒸汽最難進(jìn)入的芯片中心部位，也能夠清洗干凈，未觀察到有助焊劑或清洗液殘留問(wèn)題。

圖2 汽相清洗后倒裝焊樣品形貌

圖3 真空汽相清洗后倒裝焊樣品形貌

綜上所述，試驗(yàn)中倒裝焊芯片凸點(diǎn)尺寸較小，焊后因凸點(diǎn)塌陷使得芯片底部縫隙僅有50 μm 左右。真空環(huán)境下清洗劑在器件上的表面張力較小，溶劑更易于進(jìn)入細(xì)小的縫隙，可將倒裝焊芯片底部的助焊劑徹底清洗干凈。而利用非真空環(huán)境的汽相清洗很難對(duì)細(xì)微縫隙中的助焊劑進(jìn)行有效清洗，長(zhǎng)時(shí)間清洗后仍有大量助焊劑殘留。因此針對(duì)細(xì)微縫隙的倒裝焊結(jié)構(gòu)，真空汽相清洗的效果明顯優(yōu)于汽相清洗，真空汽相清洗技術(shù)是實(shí)現(xiàn)細(xì)微間隙倒裝焊結(jié)構(gòu)良好清洗的關(guān)鍵。利用預(yù)清洗（≥3 min）→正式清洗（≥3 min）→蒸汽漂洗（≥3 min）→真空干燥（≥4 min）的工藝參數(shù)進(jìn)行50 μm 間隙倒裝焊結(jié)構(gòu)的真空汽相清洗，可達(dá)到良好的清洗效果，芯片與基板的間隙無(wú)助焊劑或清洗液殘留。

3.2 清洗效果對(duì)底部填充的影響

由于芯片、基板、凸點(diǎn)之間熱膨脹系數(shù)差異產(chǎn)生的應(yīng)力是導(dǎo)致倒裝焊結(jié)構(gòu)失效的關(guān)鍵因素之一，為了消除這一應(yīng)力，底部填充被廣泛應(yīng)用于倒裝焊工藝以提高其可靠性[17]。底部填充的過(guò)程為，首先將底部填充膠沿芯片邊緣注入，借助液體的毛細(xì)作用，底部填充膠被吸入芯片與基板的間隙并向中心及非施膠邊流動(dòng)，直至由非施膠邊流出，填滿后在高溫下將填充膠進(jìn)行固化。

芯片底部清洗效果不良，間隙中有助焊劑及清洗液殘留時(shí)會(huì)直接影響底部填充過(guò)程及固化效果。取不同工藝及參數(shù)清洗后的倒裝焊樣品，同時(shí)進(jìn)行底部填充及固化，觀察注入填充膠時(shí)的流動(dòng)性，固化后對(duì)樣品固化效果及填充效果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果在表4 中列出。

表4 不同清洗方法及參數(shù)樣品底部填充效果

首先，觀察樣品填充過(guò)程時(shí)發(fā)現(xiàn)，1-1、1-4 組樣品底部填充膠的流動(dòng)相對(duì)較慢，在芯片施膠邊注入同樣量的填充膠時(shí)，與2-1、2-5 組樣品相比非施膠邊流出填充膠所需的時(shí)間更長(zhǎng)。固化后1-1 組樣品芯片邊緣觀察到有局部填充不足造成的空洞[見(jiàn)圖4(a)]，1-4 組樣品芯片四邊雖均有填充膠溢出但填充膠邊緣呈現(xiàn)不均勻、不平滑的形貌[見(jiàn)圖4(b)]，均是由填充膠流動(dòng)時(shí)受到殘留助焊劑或清洗液的阻礙所致。

圖4 汽相清洗倒裝焊樣品底部填充固化后形貌

另外，足夠的干燥時(shí)間也是影響最終清洗效果的關(guān)鍵因素之一。觀察2-1 組樣品清洗后芯片的底部填充膠固化前后形貌，可以發(fā)現(xiàn)僅經(jīng)過(guò)2 min 真空干燥的2-1 樣品芯片非施膠邊有局部填充不足，在固化前呈與黑色填充膠顏色不同的半透明狀[見(jiàn)圖5(a)]，而固化后該處半透明液體揮發(fā)形成空洞[見(jiàn)圖5(b)]。由于助焊劑在固化溫度下不會(huì)發(fā)生分解或汽化，而清洗液的汽化溫度低于填充膠的固化溫度，說(shuō)明該處為殘留的清洗液，會(huì)阻擋填充膠的流動(dòng)，從而在固化后汽化導(dǎo)致填充不足的問(wèn)題。而2-5 組樣品則沒(méi)有出現(xiàn)該問(wèn)題，芯片四邊均填充良好，膠形均勻一致，利用超聲掃描對(duì)2-5 組樣品進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如圖6 所示，可以發(fā)現(xiàn)底部填充效果良好，空洞率≤5%，無(wú)明顯缺陷。

最后，為研究助焊劑或清洗液殘留對(duì)底部填充膠固化效果的影響，如圖7、圖8 所示，利用鎢針對(duì)各個(gè)樣品固化后填充膠表面進(jìn)行施壓、劃動(dòng)等測(cè)試，發(fā)現(xiàn)有助焊劑殘留及清洗液揮發(fā)后形成的空洞附近填充膠仍為較軟的凝膠狀，見(jiàn)圖7(a)；鎢針在其表面可形成較深的劃痕，見(jiàn)圖7(b)；而其余部位的填充膠已形成硬度較高的固體，鎢針在其表面劃動(dòng)基本不會(huì)留下痕跡，見(jiàn)圖8。經(jīng)三量LX-D 型邵氏硬度計(jì)檢測(cè)，固化后的填充膠硬度可達(dá)98（Shore D）。樣品固化均在底部填充膠完全固化所需的同一條件下進(jìn)行，說(shuō)明助焊劑或清洗液的成分會(huì)導(dǎo)致底部填充膠固化不良，無(wú)法起到消除倒裝焊結(jié)構(gòu)應(yīng)力、提高倒裝焊長(zhǎng)期可靠性的作用。

圖5 真空汽相清洗2-1 組倒裝焊樣品底部填充固化前后形貌

圖6 真空汽相清洗2-5 組倒裝焊樣品底部填充固化后形貌及超聲掃描結(jié)果

圖7 有清洗液或助焊劑殘留時(shí)未充分固化底部填充膠形貌

圖8 倒裝焊后清洗干凈時(shí)充分固化底部填充膠形貌

4 結(jié)論

與常規(guī)汽相清洗相比，真空汽相清洗技術(shù)更適用于細(xì)微間隙的倒裝焊結(jié)構(gòu)清洗，由于真空環(huán)境能夠降低清洗液及蒸汽的表面張力，使清洗液進(jìn)入倒裝焊芯片底部的細(xì)微間隙，進(jìn)行有效清洗；利用預(yù)清洗（≥3 min）→正式清洗（≥3 min）→蒸汽漂洗（≥3 min）→真空干燥（≥4 min）的真空汽相清洗過(guò)程可充分洗凈倒裝焊芯片與基板約50 μm 間隙中的助焊劑，清洗后尺寸10 mm×10 mm 以內(nèi)的倒裝焊芯片底部中心部位無(wú)助焊劑殘留；底部填充過(guò)程會(huì)受到間隙中殘留助焊劑或清洗液的影響，填充膠可能產(chǎn)生流動(dòng)受阻、填充不充分、固化不良等問(wèn)題，而當(dāng)?shù)寡b焊組件進(jìn)行了足夠時(shí)間的真空汽相清洗并充分干燥后，填充膠空洞率≤5%，可獲得良好的底部填充效果。