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纳米工艺给封装带来压力
材料来源:半导体科技           录入时间:2011-6-29 16:14:23

 

Nano Processes Place Pressure on Packaging

纳米工艺给封装带来压力

70微米的植球工艺在晶圆级封装中极具前景的评估

 

Paul Laycock, Global Applied Process Engineering, DEK

 

 

 

芯片设计继续遵循摩尔定律,35纳米工艺业已逼近,更小的器件封装支持更高的互联密度是市场持续不变的要求。这给后段晶圆级工艺带来了压力,譬如植球工艺,要减小互联间距,从当前的300微密的间距175微米的球径降低至间距在150微米以下,而球径完全在100微米以下。

 

这正好是开始开发满足这些小型化要求的工艺的时候。两个步骤的植球工艺包括精确的助焊剂印刷和其后的应用批量印刷平台,专门设计的植球头以及金属钢网完成的植球工艺被证明在今天精细晶圆的批量生产上获得巨大成功。这些成功促成利用同样的方法和设备开发球径100微米以下的植球工艺。

 

在初步的一些试验中的一项就是建立起球径为70微米间距150微米,在直径为300毫米的一小批晶圆上植球的工艺,每张晶圆上放置接近100万颗焊球。研究结果为当前这个水平上的能力提供了一个基准,也是作为迈向开发具有吸引力的商业化生产工艺的第一步。

 

设备和材料

 

两台DEK Galaxy印刷机被用来进行评估,第一步是通过一张电铸钢网将粘度为250kcps的助焊剂沉积在晶圆上。安装了植球头和蓄球槽/供料系统的第二台机器通过一张镍模板将成份为Sn96.5/Ag3.0/Cu0.5球径为70µm ± 0.005µm的焊球放置在晶圆上。

 

 

基材是直径为300毫米的晶圆,其上有3,249个单独的芯片,总共有827,248个需要植球的位置。四个镭射标识的基准点被用于对位。

 

在助焊剂工艺和植球工艺中利用一个非常平整的重型托盘来支撑晶圆,并在托盘上放一张厚度0.725mm根据晶圆大小适当开孔的薄金属片保证晶圆紧贴在托盘上面并稍高出其表面。通过机器内的真空,晶圆被平整的固定在托盘上。

 

经过沉积助焊剂和完成植球的晶圆用锡膏检查数据分析仪(SPIDA)和NIKON NEXIV 检查。

 

工艺概述

 

晶圆被传送进第一台机器,通过基准点自动辨识,晶圆和助焊剂印刷钢网对位,然后印刷助焊剂。然后晶圆通过传送系统被送进第二台机器。经过正确的传送和对位后,植球头紧贴植球钢网表面并被移过植球区域,因而,钢网的每个孔内都沉降有一颗焊球。

 

当植球头在钢网上移动时,使得一层焊球排列在钢网和植球头中间的软垫(分配器)之间。软垫施加少许压力给其下的焊球,小的压力被传至已漏在钢网孔内的焊球,帮助它们坐落于助焊剂中或粘性点上。可以进行一次或多次这样的印刷以保证每个孔内都填充有焊球。  植有焊球的晶圆被以可以编程控制的速度下将并与钢网分离。最后这张晶圆可以回流焊接或被传送到晶圆搬运器送进晶圆匣内。                                                                                                                                                                                   

 

助焊剂丝网/钢网设计

 

许多不同筛孔尺寸和乳胶厚度的丝网被评估。一系列不同开孔尺寸的钢网也被评估。经过仔细的评估后合适的助焊剂丝网和钢网被选用。这些都是经过直接的比较而最终确定的。

 

对于70微米焊球的试验,助焊剂钢网通过电铸制造出来的25微米厚的镍模板。利用开孔直径55微米的印刷钢网获得了最好的一致性印刷效果。

 

1显示的是使用25微米厚开孔直径55微米的钢网获得的高品质的助焊剂沉积效果。这张钢网的规格被用于随后5张晶圆的助焊剂印刷分析,作为本次试验的一部分。

 

 

1. 应用最佳的钢网规格获得的助焊剂印刷结果(放大60倍)

 

 

植球钢网的设计

一张植球钢网包括镍电铸层和其底部的另外一层隔离层。隔离层的材料定位在选定的开孔之间,当植球头移过钢网表面时起到支撑的作用。它也起到防止沉积在晶圆焊盘上的助焊剂污染钢网底部的作用。在本次试验中,DirEKt 植球钢网尺寸计算器推荐镍层的厚度为44微米,开孔直径为87微米,钢网总的厚度为74微米。实际量测根据此规格做的钢网,开孔的实际尺寸为87微米,平均开孔间距为150µm ±1µm

 

机器设置

设备在开始之前被仔细检查,两台Galaxy印刷机按要求被重新调节水平。两个植球头也被检查确定可以使用。(图2

 

 

2. 应用于70微米植球试验中的300mm长的植球头

 

 

因为焊球直径很小,对植球头需要额外的考虑以保证其里面的Poron软垫被正确的调整好。通常软垫面设置的高度为焊球直径的90%,以便只有一层焊球在软垫和钢网之间能够通过。同时软垫能施加少许压力给通过其下的焊球。小的压力被传至已漏在钢网孔内的焊球,让它们很好的坐落于助焊剂中。但是,对于本次试验中如此小的焊球而言,软垫的高度调整机制不能确保其正确的高度设置。考虑到这个,决定移除Poron软垫以防焊球接触到它。这也排除了焊球粘附于软垫上阻碍在植球头下只出现一层焊球的可能性。

 

也细心的检查了植球头的ESD保护外框,确定其表面没有明显的 凹坑,刮痕或敲击的痕迹。这是非常关键的一个部件,在其重要的接触面必须没有任何损伤。

 

对于调整溢球感应器的调整也给予了仔细的考虑。因为针对70微米的焊球还没有感应器的深度设置,根据深度设定曲线推算,对于200微米的焊球其感应器最佳深度设置是0.854mm(最大为0.879mm)。实际量测此深度非常困难,决定在本次试验中关闭溢球感应器。以后在这方面的工作要求在生产工艺中,印刷时能够监测到溢球情况的发生。

 

在助焊剂印刷和植球工艺中,晶圆托盘的薄片被手动定位在托盘上。借助钢尺该薄片被固定在托盘的中心。这对于确保晶圆位于钢网的中心以便精确对位非常重要。

 

空白晶圆被送至托盘上并刚好定位在托盘的中心处,该位置通过钢尺自晶圆外沿有“V”刻痕处量测。脱盘和空白晶圆被传送到机器里,小心的升高到印刷高度。在晶圆和钢网之间设置一小的印刷间隙以利于助焊剂印刷工艺。表1显示的是助焊剂印刷程序里主要的设置参数。

 

1. 助焊剂印刷程序的机器设置

 

印刷速度前后Print speed (front & rear)

50mm/s

刮刀压力(前后)Squeegee pressure (front & rear)

6.0kg

分离距离Separation distance

3.0mm

分离速度Separation speed

20.0mm/s

印刷间隙Print Gap

2.0mm

图形位置Screen image

Central

印刷模式Print Mode

PRINT/FLOOD

平均温度Average temperature

24.9°C

平均相对湿度Average humidity

41.1 % RH

 

 

 

印刷完助焊剂,晶圆被传送到第二台机器进行植球工艺,和前面的工艺一样,被传送到托盘上后以“V”刻痕来定位。对于此工艺,为保证没有助焊剂污染钢网底部,精确对位于印有助焊剂的晶圆而言非常关键。因此精度事实上非常重要。花了些时间来改善该工艺以确保能精确定位印有助焊剂的晶圆。表2 显示的是植球程序中主要的参数。

 

 

2. 植球工艺中机器设置

 

印刷速度前后

2mm/s

分离距离

2.0mm

分离速度

0.1mm/s

印刷间隙

0mm

焊球回收速度

20mm/s

焊球回收距离

80mm

平均温度

24.9°C

平均相对湿度

41.1 % RH

 

 

 

清洁

毫无疑问在本次试验中,对如此小的尺寸和精细的公差而言,保证植球工艺中所有材料和治具平整和完全清洁非常关键。所有的表面都用异丙醇进行严格的清洁,自始至终必须戴上手套,清理掉所有工作站不必要的物品以保证清洁,防止污染或损坏丝网、钢网、硬件、晶圆和焊球。全部试验都在一个单独的洁净区域完成。

 

结果

植球完成后,检查5张晶圆来评估试验的成功。一台NIKON检查设备(如图3)被用于获取一系列影像,以评估焊球在晶圆上的放置和连接情况。

 

 

3. 应用NIKON进行影像分析

 

 

4a)和4b)是由SPIDA分别放大20倍和50倍拍摄所得,显示焊球精确的定位于晶圆上印刷的助焊剂位置。

 

  

4. (a) (b) 精确的植球,放大倍率为20x 50x

 

为了将结果量化并确定焊球放置在晶圆上的良率,首先用SPIDA检查每张晶圆植球结果来评估植球工艺的整体情况。接着仔细检查晶圆上每个单独芯片并记录焊球缺失的数量。这些数据被导入到编好计算式的电子表格中按焊球数和芯片数来计算良率。

 

良率评估

5张晶圆的分析结果与当前主流的植球工艺相比,同样到达了典型的直通率99.99% ( 5)

 

 

 

  

  

 5

 

结论

本次试验的目的是,应用标准的助焊剂印刷/植球工艺流程和设备平台评估100微米以下晶圆级植球工艺的可行性。在此试验之前应用DEK Galaxy机器处理的最小的焊球直径为175微米。本次可行性试验非常成功,确定焊球直径70微米间距150微米的晶圆级植球工艺具有生命力。

 

在此水平上的可以用于批量生产的植球工艺正在被积极开发中。结果表明更进一步的开发工作必须实现值得关注的焊球尺寸100微米以下的晶圆级植球批量生产工艺,保证其稳健性和一致性。

 

 

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