一、晶圓翹曲 

晶圓翹曲是指重構(gòu)晶圓在加工過程因熱機(jī)械應(yīng)力 的累積而在宏觀上產(chǎn)生翹曲。晶圓翹曲會降低后續(xù)掩 膜光刻的工藝精度, 限制再布線層密度的提升。翹 曲產(chǎn)生的應(yīng)力易在中介層或焊點(diǎn)處集中, 造成焊球開 裂脫落和中介層分層。晶圓尺寸越大, 晶圓所受的熱 和機(jī)械應(yīng)力越強(qiáng), 局部曲率越高, 翹曲現(xiàn)象越嚴(yán)重。隨著大尺寸晶圓在晶圓級封裝的應(yīng)用, 晶圓翹曲問題 已經(jīng)成為制約 FOWLP 發(fā)展的突出問題。 

由于晶圓表面易被劃傷, 業(yè)界通常采用光學(xué)手段 對晶圓翹曲進(jìn)行測量, 依據(jù)原理可以大致劃分為光學(xué) 干涉測量 和 激 光 掃 描 測 量, 前 者 包 括 影 子 云 紋 法、 投影云紋法和泰 曼-格林干涉法等, 通過光柵干涉 圖像表征晶圓曲率, 后者則是通過激光對晶圓整體進(jìn) 行掃描定位, 最后通過計(jì)算機(jī)擬合出晶圓翹曲的情況。  

采用合適的方法對重構(gòu)晶圓所含材料進(jìn)行測量和 表征是分析引發(fā)晶圓翹曲多種應(yīng)力的前提。Cheng 等使 用 差 示 掃 描 量 熱 法和 動 態(tài) 力 學(xué) 分 析評估固化狀態(tài), 使用熱機(jī) 械分析儀表征了環(huán)氧塑封料的楊氏模量和熱膨脹系數(shù), 為分析各類應(yīng) 力的強(qiáng)度和不同翹曲形態(tài)的成因提供了有力支持。 

環(huán)氧塑封料固化引發(fā)的體積收縮和不同材料的熱 膨脹系數(shù)不匹配被公認(rèn)為是造成晶圓翹曲的最主要原因, 但隨著研究的深入, 尤其是通過分析傳統(tǒng)理論 模型和實(shí)際結(jié)果之間的偏差, 近年來發(fā)現(xiàn)了更多影響 晶圓翹曲的因素。

Dijk 等和 Chiu 等發(fā)現(xiàn)硅的各 向異性和環(huán)氧塑封料的粘彈性松弛效應(yīng)對翹曲也有一 定影響, 固化工藝之后的工藝環(huán)節(jié), 尤其是再布線和 植球等存在劇烈溫度變化的工藝會對晶圓翹曲產(chǎn)生影 響。Chiu 還通過實(shí)驗(yàn)和建模分析認(rèn)為環(huán)氧塑封料的化 學(xué)收縮對翹曲的影響微不足道。Cheng 等通過分 析環(huán)氧塑封料的固化過程發(fā)現(xiàn)重力會對晶圓翹曲產(chǎn)生 影響。 

張振越等基于雙層圓形板彎曲理論與復(fù)合材料 等效方法, 提出 FOWLP 圓片翹曲理論解析表達(dá)式。實(shí)現(xiàn)對翹曲的快速預(yù)測。Chen 等使用頻域動態(tài)力 學(xué)分析表征了 EMC 和 PI 的線性粘彈性, 將粘彈性模 型用于對固化結(jié)構(gòu)的有限元分析, 實(shí)現(xiàn)了對晶圓翹曲 的精準(zhǔn)預(yù)測。Li 等結(jié)合材料微觀力學(xué)模型, 針對異 構(gòu)集成結(jié)構(gòu)建立物理模型, 通過建模調(diào)整參數(shù)使得 8 英寸晶圓翹曲控制在 2 mm 以內(nèi)。

近幾年來, 業(yè)界深入分析了晶圓翹曲的成因, 表 征了翹曲程度和引發(fā)翹曲的應(yīng)力, 支撐了業(yè)界工藝流 程參數(shù)優(yōu)化 。 

二、芯片偏移 

芯片偏移是指晶粒偏離應(yīng)有位置。芯片偏移現(xiàn)象 可以通過高倍顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn), 這既可能是晶圓重構(gòu) 精度不足造成的, 也有可能是后續(xù)工藝環(huán)節(jié)產(chǎn)生的應(yīng) 力導(dǎo)致的。 

引發(fā)芯片偏移的應(yīng)力主要包含兩種。主要的一種是由固化成型期間環(huán)氧塑封料的流動誘導(dǎo)阻力 引起的流體流動(Fluid Flow, FF)。另一個(gè)是由封裝的 熱膨脹/ 收縮、 環(huán)氧塑封料的固化收縮和晶圓翹曲引起 的熱機(jī)械(Thermo-Mechanical, TM)應(yīng)力 。與晶圓 翹曲類似, 芯片偏移也會降低再布線工藝中光刻的工 藝精度, 并導(dǎo)致芯片鏈路產(chǎn)生開路。  

為了分析兩種應(yīng)力對芯片偏移的影響, 業(yè)界通過 建模和試驗(yàn)對兩種應(yīng)力的強(qiáng)度和作用機(jī)制進(jìn)行了分析。Cheng 等基于某種環(huán)氧塑封料建立了流體動力學(xué) 模型用以研究液體流動對芯片偏移的影響, 發(fā)現(xiàn)重構(gòu) 晶圓邊緣處的晶粒芯片偏移最為嚴(yán)重, 分析認(rèn)為熱機(jī) 械效應(yīng)和誘導(dǎo)阻力造成的應(yīng)力具有相似的作用機(jī)制, 都是越靠近邊緣應(yīng)力越大。

Wu 等通過建模比較了 熱機(jī)械應(yīng)力和流體流動的強(qiáng)度, 認(rèn)為熱機(jī)械效應(yīng)對芯 片偏移產(chǎn)生更多影響。Ouyang 等根據(jù)目前已經(jīng)發(fā) 現(xiàn)的影響芯片偏移的應(yīng)力, 針對聚二甲基硅氧烷這一 特殊的塑封料建立流體動力學(xué)模型, 實(shí)現(xiàn)對塑封過程 中翹曲變化的預(yù)測。通過比對不同種類粘合 劑的粘附強(qiáng)度和使用不同粘合劑對芯片偏移產(chǎn)生的影 響, 發(fā)現(xiàn)晶圓重構(gòu)工藝中臨時(shí)載體的黏附力不足是造 成芯片偏移問題最直接的原因。 

相較于晶圓翹曲, 引發(fā)芯片偏移的應(yīng)力種類較少, 芯片偏移的失效機(jī)制較為清晰。

三、焊點(diǎn)開裂 

由于 FOWLP 的 I/ O 接口數(shù)量越來越多, FOWLP 的尺寸和焊點(diǎn)密度均有所提升。在焊點(diǎn)的體積變小的 同時(shí)單個(gè)焊點(diǎn)所受應(yīng)力越來越高, 所以焊點(diǎn)的可靠性 問題日益突出。

對焊點(diǎn)進(jìn)行建模有助于對焊點(diǎn)可靠性進(jìn)行預(yù)計(jì), 便于工藝改進(jìn)和設(shè)計(jì)優(yōu)化, Lau 等建立了非線性、 時(shí)間和溫度相關(guān)的三維有限元模型, 采用線性加速因 子將測試條件下的焊點(diǎn)可靠性映射到操作條件下的焊 接點(diǎn)可靠性, 得到了置信度為 90%的封裝特征壽命。

Wang 等基于能量法描述和預(yù)測焊點(diǎn)形狀, 當(dāng)液體 達(dá)到靜態(tài)平衡時(shí), 其總能量趨于最低, 表面積趨于最小。液體的能量主要包括表面張力能、 重力能和外能。根據(jù)總能量, 可以計(jì)算重力方向上的恢復(fù)力, 進(jìn)而估 算焊球的形狀和高度, 并基于 Coffin-Manson 應(yīng)變的 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ凸烙?jì)焊點(diǎn)的疲勞壽命。

 Lee 等建立了一種 非線性模擬方法, 用于研究制造過程和熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)的 耦合效應(yīng)。在有限元建模中分析了焊料凸臺的塑性和 蠕變行為, 研究了 SnAg 焊料凸臺中累積的非彈性應(yīng) 變。還對相關(guān)幾何尺寸和底部填充材料進(jìn)行了參數(shù)化分析。

 在不同環(huán)境壓力下, 焊球的失效模式表現(xiàn)不同。Cho 等通過可靠性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在跌落試驗(yàn)中, 焊球界 面斷裂和 PCB 焊盤出現(xiàn)凹坑是主要失效模式, 而在溫 度循環(huán)試驗(yàn)中, 焊球界面斷裂和重布線層出現(xiàn)裂紋是 主要失效模式。 

除此之外, 在對焊球質(zhì)量的批量化監(jiān)測方面, Lu 等用掃描聲學(xué)顯微鏡對樣本進(jìn)行測試, 并使用聚類 模糊 C 均值(FCM)算法對焊點(diǎn)進(jìn)行識別。訓(xùn)練所得學(xué) 習(xí)模型可應(yīng)用于高密度焊點(diǎn)可靠性的快速檢測。業(yè)界對焊點(diǎn)可靠性的研究相對成熟, 對引發(fā)焊點(diǎn) 應(yīng)力集中的作用機(jī)制已有充足的探索, 建立了可信度 較高的焊點(diǎn)物理模型。  

四、重布線層分層 

重布線 層 中 最 常 用 的 有 機(jī) 材 料 包 括 聚 酰 亞 胺、 聚苯并惡唑 和苯并環(huán)丁烯, 除此之外還 有酚醛樹脂等材料, 其中 PBO 機(jī)械強(qiáng)度最高但是熱膨 脹系數(shù)過高, BCB 勝在優(yōu)良的電學(xué)性能, 但是機(jī)械強(qiáng) 度最差。 

將酚醛樹脂等三種材料與 PI 進(jìn)行比 較, 認(rèn)為 PI 具有超過 30%的優(yōu)異伸長率和 52×10 -6 / K 的熱膨脹系數(shù), 是目前性能最均衡的 RDL 有機(jī)材料。PI 是目前重布線層中最常用的有機(jī)材料。但是 PI 固化 溫度過高, 普通的 PI 固化溫度超過 300 ℃, 經(jīng)過改良 的低溫固化 PI 的固化溫度也在 200 ℃以上, 對工藝設(shè) 計(jì)的優(yōu)化要求較高。 

通過試驗(yàn)比較了兩種 PI、 PBO 和酚醛樹脂在銅表面的臨界能量釋放率, 并 根據(jù)實(shí)驗(yàn)曲線建立了可以模擬任意溫度下分層可能性 的仿真模型。 

 重布線層分層常發(fā)生在溫度循環(huán)測試之后, 重布 線層不同材料層經(jīng)歷反復(fù)的熱脹冷縮, 材料間界面的 疲勞應(yīng)力導(dǎo)致開裂。沖擊測試中也會發(fā)現(xiàn)重布線層分 層現(xiàn)象, Lau 等通過試驗(yàn)估算了重布線層的特征壽 命, 并發(fā)現(xiàn)封裝最大應(yīng)力出現(xiàn)在受到?jīng)_擊后的 0. 0023 s, 位置在封裝四角, 最下層的重布線層所受應(yīng)力最 大, 易發(fā)生開裂現(xiàn)象。 

重布線層分層是扇出型封裝中常見的失效模式, 但是重布線層結(jié)構(gòu)和重布線工藝流程復(fù)雜, 結(jié)構(gòu)和材 料個(gè)性化強(qiáng), 重布線層仿真難度高, 需要針對不同的 封裝結(jié)構(gòu)單獨(dú)進(jìn)行分析。 

五、芯片封裝清洗：合明科技研發(fā)的水基清洗劑配合合適的清洗工藝能為芯片封裝前提供潔凈的界面條件。

水基清洗的工藝和設(shè)備配置選擇對清洗精密器件尤其重要，一旦選定，就會作為一個(gè)長期的使用和運(yùn)行方式。水基清洗劑必須滿足清洗、漂洗、干燥的全工藝流程。

污染物有多種，可歸納為離子型和非離子型兩大類。離子型污染物接觸到環(huán)境中的濕氣，通電后發(fā)生電化學(xué)遷移，形成樹枝狀結(jié)構(gòu)體，造成低電阻通路，破壞了電路板功能。非離子型污染物可穿透PC B 的絕緣層，在PCB板表層下生長枝晶。除了離子型和非離子型污染物，還有粒狀污染物，例如焊料球、焊料槽內(nèi)的浮點(diǎn)、灰塵、塵埃等，這些污染物會導(dǎo)致焊點(diǎn)質(zhì)量降低、焊接時(shí)焊點(diǎn)拉尖、產(chǎn)生氣孔、短路等等多種不良現(xiàn)象。

這么多污染物，到底哪些才是最備受關(guān)注的呢？助焊劑或錫膏普遍應(yīng)用于回流焊和波峰焊工藝中，它們主要由溶劑、潤濕劑、樹脂、緩蝕劑和活化劑等多種成分，焊后必然存在熱改性生成物，這些物質(zhì)在所有污染物中的占據(jù)主導(dǎo)，從產(chǎn)品失效情況來而言，焊后殘余物是影響產(chǎn)品質(zhì)量最主要的影響因素，離子型殘留物易引起電遷移使絕緣電阻下降，松香樹脂殘留物易吸附灰塵或雜質(zhì)引發(fā)接觸電阻增大，嚴(yán)重者導(dǎo)致開路失效，因此焊后必須進(jìn)行嚴(yán)格的清洗，才能保障電路板的質(zhì)量。

推薦使用合明科技水基清洗劑產(chǎn)品。