影響晶圓凸起網(wǎng)板印刷效果的基本設(shè)計(jì)事項(xiàng)

　　前言

　　要確保采用網(wǎng)板印刷的晶圓凸起工藝優(yōu)良率達(dá)到理想的水準(zhǔn)，必須考慮多項(xiàng)重要的設(shè)計(jì)因素。

　　網(wǎng)板印刷

　　采用標(biāo)準(zhǔn)表面安裝設(shè)備的網(wǎng)板印刷技術(shù)，是在簡單和成熟的工藝環(huán)境中粘貼晶圓凸起焊墊的高成本效益方案。采用這種方法時，不同的應(yīng)用需要不同的定制設(shè)計(jì)指引，并依從特定的設(shè)備、材料和工藝指令，才可建立起穩(wěn)固、高良率的晶圓凸起印刷和回流焊程序。

　　影響優(yōu)良率的參數(shù)

　　盡管網(wǎng)板印刷很簡單直接，但許多變量會嚴(yán)重地影響采用這種凸起方法之晶圓的質(zhì)量或良率，通常用已知好裸片數(shù)值(KGD)來評價一項(xiàng)晶圓凸起工藝的性能．應(yīng)當(dāng)深入了解并高度重視影響這項(xiàng)工藝的眾多設(shè)計(jì)方面，制訂有效而可靠的設(shè)計(jì)策略以獲得卓越的成果。

　　倒裝芯片粘結(jié)墊設(shè)計(jì)

　　倒裝芯片勝過線粘結(jié)、面朝上的板上芯片器件的優(yōu)勢之一在于，由于導(dǎo)電焊墊可置放于裸片有效面的任何一處，因此可以在更小的集成電路面積上增加I/O數(shù)量。不過，網(wǎng)板印刷凸起卻可能是最受裸片的焊墊布局所限制和阻礙的印刷方式。焊墊的尺寸、形狀和間距必須小心設(shè)計(jì)，從而在實(shí)際的情況下達(dá)到所需的焊膏凸起尺寸；另外，還須考慮一般稱為凸起底部金屬的焊墊粘結(jié)表面組合。在回流焊過程中，UBM對網(wǎng)板印刷的焊球的成形有顯著的影響，而且最終更會影響已裝配倒裝芯片的強(qiáng)度、可靠性和性能。

　　焊墊尺寸和形狀

　　芯片上焊墊的大小，對網(wǎng)板印刷產(chǎn)生指定的回流焊凸起尺寸所需的焊膏量有著直接影響，要維持指定的凸起高度，芯片上較大的焊墊需要較多焊膏：較小焊墊需要的焊膏則較少。假如焊墊太小，支持較大量的焊膏的焊接面積也較小，凸起及焊點(diǎn)強(qiáng)度受到重要影響，而好處只是間隙距離略微增加。芯片墊的可濕潤焊接面積的形狀也會影響焊膏的凸起尺寸。這個形狀不一定與焊墊的幾何尺寸有關(guān)，而主要由焊墊上的鈍化開孔所決定(見圖1)。

　　圖一：焊墊的鈍化膜開孔決定了焊膏

　　突起的可潤濕粘結(jié)面積的尺寸和幾何。

　　圖1實(shí)際粘結(jié)點(diǎn)的形狀為八角形，焊墊則為正方形，這個形狀由鈍化窗口限定，以減低應(yīng)力集中于焊球基底的各個角海，這些應(yīng)力點(diǎn)有可能減弱粘結(jié)強(qiáng)度，并影響焊點(diǎn)的可靠性。要減少這種情況，圓形的鈍化開孔最為理想。但是，有些晶圓生產(chǎn)系統(tǒng)在制造與尖角相反的圓角方面存在問題。

　　一項(xiàng)經(jīng)驗(yàn)則是把焊墊粘結(jié)點(diǎn)的尺寸保持在最大不超過間距的一半，最小不小于65um(注一)。要計(jì)算回流焊凸起的尺寸隨焊墊大小和幾何的變化關(guān)系，可采用以下的方程式。這個方程式模擬了回流焊凸起，以平切的幾何球體表示，可作為網(wǎng)板設(shè)計(jì)工具，有助于決定合適的網(wǎng)板穿孔大小，以涂敷所需的焊膏量。

　　焊膏凸起體積：{1／2(焊墊面積)x(凸起高度)}+{1／6π(凸起高度)3}

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　　焊墊間距及位置

　　網(wǎng)板印刷能否在晶圓上生成大的焊膏凸起主要取決于焊墊的配置及密度。我們建議焊墊的排列間距越寬越好，這樣，在設(shè)計(jì)有關(guān)穿孔的形狀和位置時就擁有更大的靈活性，從而使生產(chǎn)量達(dá)到最大。高密度布局也可以更有效地設(shè)計(jì)至可以進(jìn)行較大型焊膏涂敷的網(wǎng)板印刷，只需把相鄰的焊墊交錯排開。設(shè)計(jì)多列式焊墊配置的網(wǎng)板更具挑戰(zhàn)性，因?yàn)榫W(wǎng)板的金屬箔面會堆滿穿孔，變得非常復(fù)雜。目前先進(jìn)的精密間距網(wǎng)板印刷技術(shù)似乎停留于6mil的臨界，但這些界限正不斷受到挑戰(zhàn)。雖然可以在較小間距的條件下進(jìn)行印刷，但在無瑕疵情況下能涂敷的焊膏量是非常有限的，足以讓業(yè)界掀起對凸起尺寸，及間隙、底部充填能力、焊點(diǎn)強(qiáng)度及整體可靠性等問題的關(guān)注。

　　在焊墊的位置方面，一般來說，每個裸片上角落焊墊是晶圓上最難以達(dá)到一致而無瑕疵印刷焊膏量的位置。采用非標(biāo)準(zhǔn)穿孔形狀在這里是必要的，因?yàn)楦呙芏却┛卓赡苷加昧舜罅烤W(wǎng)板面積，而形狀獨(dú)特的穿孔使涂敷時很難預(yù)計(jì)轉(zhuǎn)移效率的高低，  因此裸片上凸起的高度分布未必令人稱心滿意。只有把晶圓上的所有角墊全部消除，這個潛在問題才可避免，讓網(wǎng)板穿孔的設(shè)計(jì)更有彈性。

　　凸起底部金屬

　　在回流焊時，要令已印刷的涂敷焊膏正確地黏著于晶圓焊墊上，焊墊冶金必須與焊膏合金粘結(jié)。大部分裸片焊墊均由鋁制成，與低共熔S n／Pb焊膏的粘結(jié)并不很好，因此需要一層填隙式的材料，能夠粘結(jié)鋁及低共熔Sn／Pb焊膏，覆蓋于鋁墊的表面。在復(fù)上了保護(hù)性鈍化膜后加入這個凸起底部金屬層，可用的凸起底部金屬層和涂敷技術(shù)有多種選擇，由于凸起底部金屬涂敷工藝的成本高，所以業(yè)界爭相找尋具經(jīng)濟(jì)效益的材料和工藝方式。在這種情況下，有關(guān)凸起底部金屬的信息都是專有的，公眾難以接觸。其中一種證實(shí)可靠和低成本的凸起底部金屬方法需要以無電電鍍方式，用鎳鍍上鋁墊，然后浸入黃金中。在這個工藝中，只有沒有經(jīng)過鈍化的金屬特性部分(即鋁粘結(jié)墊)才會被鎳／金凸起底部金屬層覆蓋。要維持良好的濕潤特點(diǎn)，這個凸起底部金屬必須盡可能清潔和無氧化。最好能把晶圓存放于氮?dú)庹{(diào)節(jié)絕緣存儲柜內(nèi)，以阻止不良氧化殘余物的形成。

　　托盤設(shè)計(jì)

　　由于晶圓是非常精細(xì)的物件，故運(yùn)送方式是一個關(guān)鍵事項(xiàng)。在網(wǎng)板印刷時，應(yīng)采用海邊都較晶圓大1.5英寸的塑料或金屬托盤來承載晶圓，托盤較大便可以讓轉(zhuǎn)印頭有足夠大的表面來涂敷及轉(zhuǎn)動焊膏，使得焊膏完全滲入穿孔。

　　設(shè)計(jì)適當(dāng)托盤的另一重要因素是用來穩(wěn)住晶圓的凹口，這個凹口的深度必須能讓晶圓的上表面與托盤四周形成一個平面。晶圓凸起的托盤的圖形見圖2所示。

　　圖二：晶圓凸起托盤，晶圓下面的真空信道有助于將晶圓牢牢地固定在托盤之上。

　　網(wǎng)板設(shè)計(jì)

　　網(wǎng)板可說是最重要的工具，必須正確設(shè)計(jì)才可達(dá)到高優(yōu)良率的凸起佳績。網(wǎng)板的作用是把焊膏分為一份一份精心計(jì)算的數(shù)量，分置于晶圓上的冶金粘結(jié)點(diǎn)。要成功創(chuàng)造出能達(dá)到無瑕疵結(jié)果的網(wǎng)板穿孔設(shè)計(jì)，而且高回流焊凸起緊密分布，特別是多行裸片墊排列的間距低于l0um并非易事。影響晶圓凸起的網(wǎng)板切割技術(shù)的項(xiàng)目包括網(wǎng)板厚度、穿孔大小、形狀、定向和位置，  以及影像對齊。

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　　網(wǎng)板切割技術(shù)

　　對于晶圓凸起網(wǎng)板來說，切割技術(shù)必須能產(chǎn)生數(shù)以千計(jì)緊密分布、非常小型的穿孔，具有極高的尺寸和位置容差。稍微偏離最佳的穿孔尺寸也可以造成很大的凸起高度差異，在極端的情況下，導(dǎo)致已組裝及底部填料的芯片開路。此外，穿孔的位置也必須保持準(zhǔn)確，盡量貼近計(jì)算機(jī)生成的設(shè)計(jì)。由于晶圓上整塊焊墊都必須完全印刷，以獲得一塊大小可以接受的回流焊凸起，當(dāng)在緊密的焊墊間距條件下完成印刷后，必須讓穿孔之間的空間充足，避免出現(xiàn)橋接瑕疵。因此，穿孔間的距離不應(yīng)少于3mil(以3mil厚的網(wǎng)板來說)。在某些情況下穿孔需要偏移，避免完全置于焊墊中心。根據(jù)網(wǎng)板上特定區(qū)域的穿孔密度情況，可能只需印刷焊墊的某一部分。由于晶圓上的焊墊面積可以小于4mil，網(wǎng)板切割技術(shù)必須能準(zhǔn)確地定位穿孔，偏移只可少于數(shù)微米。

　　在市場現(xiàn)有的技術(shù)中，只有激光切割和電鑄網(wǎng)板適用于復(fù)制計(jì)算機(jī)生成的原圖，能配合有效晶圓印刷的要求。雖然很多不同的供貨商采用相同的技術(shù)切割網(wǎng)板，但他們的能力卻各有不同。一般來說，激光切割工藝會在穿孔壁面上留下粗透過特殊的拋光及電鍍技術(shù)補(bǔ)救。激光切割另一項(xiàng)特點(diǎn)是網(wǎng)板上穿孔的壁面是有斜度的，網(wǎng)板一面的開孔尺寸較另一面稍大。有些建議指若較大的穿孔是在網(wǎng)板的底部，斜削的穿孔實(shí)際上可增強(qiáng)網(wǎng)板的焊膏釋出。激光切割工藝的缺點(diǎn)是生產(chǎn)具有無數(shù)小穿孔的網(wǎng)板的成本高昂，穿孔的數(shù)量越多，生產(chǎn)激光切割網(wǎng)板的成本便越高。相反，生產(chǎn)電鑄網(wǎng)板的原圖的成本與設(shè)計(jì)的穿孔數(shù)量無關(guān)，  電鑄網(wǎng)板的穿孔尺寸和位置與激光切割網(wǎng)板同樣準(zhǔn)確，而穿孔壁雖然并非自然斜削，但卻比較平滑。

　　網(wǎng)板厚度

　　在決定需要多大的穿孔才能涂敷達(dá)到目標(biāo)回流焊凸起高度所需的焊膏量時，網(wǎng)板金屬箔片的厚度起著決定性的作用。根據(jù)晶圓凸起研究，建議選擇網(wǎng)板厚度可按這個標(biāo)準(zhǔn)：網(wǎng)板上最小穿孔的壁面面積與穿孔開口面積的比例(即面積比例)小于1.75。

　　穿孔尺寸

　　在符合少于1.75建議面積比例的正確網(wǎng)板設(shè)計(jì)中，網(wǎng)板厚度及穿孔尺寸的關(guān)系非常密切。如果要求的焊膏量相同，較薄的網(wǎng)板需要較大的穿孔尺寸；較厚的模片則需要較小的穿孔尺寸。對于間距緊密的焊墊，有時候要找出最適當(dāng)?shù)拇┛壮叽绾秃穸冉M合，以獲得可接受的轉(zhuǎn)移效率。既滿足焊膏量的要求，又不會令穿孔過于緊密，這是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的工作。最大的網(wǎng)板設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)往往在于裸片的角落，而這種情況卻很普遍。在設(shè)計(jì)斜削激光切割穿孔時應(yīng)注意的另一個重要事項(xiàng)是：必須緊記，網(wǎng)板底部的開口面積必須大于頂部的，開口面積較大意味著穿孔之間的間距較小。

　　穿孔形狀

　　網(wǎng)板印刷工藝中填料及釋出步驟均受到穿孔形狀的影響。要達(dá)到填料質(zhì)量更加一致和優(yōu)良，圓角的穿孔較尖角的有更佳效果，因?yàn)楹父嘌澋倪吘壛鲃犹畛溥h(yuǎn)較填滿尖尖的角落容易得多，而橢圓及圓形的填料效果大大優(yōu)于三角形和菱形的。不過，圓角穿孔在釋出工藝方面卻有不足之處。

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　　穿孔定向    

　　設(shè)計(jì)穩(wěn)固的網(wǎng)板時穿孔的尺寸和幾何是重要的考慮因素，但穿孔定向?qū)亓骱竿蛊鸪叽绲姆植嫉挠绊懸膊蝗莺雎?。除了要以最高的轉(zhuǎn)移效率填上最大量的焊膏，而且不造成過多焊膏陷落引致橋接瑕疵外，盡量令晶圓上每塊芯片的網(wǎng)板印刷焊膏量一致也是非常重要的。若回流焊膏形成的凸起的高度分布太寬，裝配后便可能會出現(xiàn)開路或短路情況。較大型的凸起可能會黏著多個粘結(jié)墊或其它物件：凸起不足則無法黏著任何物件。通過設(shè)計(jì)穿孔定向合適的網(wǎng)板，可以改進(jìn)對印刷精度的控制和焊膏涂敷的分布狀況。

　　圖三：如A排列穿孔的焊膏填充量可能與如 B排列穿孔的不一致。

　　圓形穿孔沒有定向的問題，因?yàn)槿魏谓嵌葘τ谀繕?biāo)的定向都是相同的；但方形則不然，在45°時會變成菱形。橢圓形和長方形穿孔的問題更嚴(yán)重，因?yàn)槠鋿|西定向、南北定向或任何角度定向都不一樣，網(wǎng)板印刷焊膏填充穿孔的方式對相同尺寸和幾何、但不同定向的穿孔也有不同。要達(dá)到一致的填料和釋出，最好就是所有穿孔對印刷方向的定向一致：不過，如果沒有在設(shè)計(jì)中加入某些技巧，這并不容易。

　　方法之一是所有穿孔互相垂直，就如標(biāo)準(zhǔn)QFP組件所采用的穿孔定向策略。當(dāng)移動至45°時，所有垂直穿孔便會成為斜對角，如圖3所示。通常網(wǎng)板供貨商可以把整個垂直定向的穿孔模式移動至45°,而晶圓也必須在網(wǎng)板下移動以作配合。此外，由于編排緊密的相鄰長方形及橢圓形穿孔互相平行，以致有較大機(jī)會出現(xiàn)橋接瑕疵，因此把相鄰的穿孔設(shè)計(jì)成互相垂直有助減低橋接瑕疵的可能性。

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　　穿孔定位

　　標(biāo)準(zhǔn)SMT應(yīng)用如QFP或BGA器件的網(wǎng)板印刷，把焊膏涂敷在焊墊中央的位置，但印刷晶圓則鮮會如此,而是完全印刷整塊焊墊，讓焊膏量足以形成高度分布有效的回流焊膏凸起。在非常狹小的空間內(nèi)，可能難以把穿孔與焊墊對稱置放，并在相鄰穿孔之間留有足夠空間(即最少3mil)，以防止橋接瑕疵。在這種情況下，建議焊膏應(yīng)覆蓋至少50％的焊墊，讓焊膏熔液適當(dāng)?shù)爻坊夭⑼耆劢Y(jié)于焊墊上。此外，為了令撤回的過程理想，穿孔的中央(而非末端)最好偏離焊墊，如圖4所示。 

　　圖四：圖中兩種情況均為拉長橢圓形穿孔偏移焊墊置放，通過穿孔B印刷時，焊膏在回流焊期間被拉回焊墊的情形較好。

　　對于單行周邊排列方式的緊密間距焊墊來說，要進(jìn)行大規(guī)模涂敷而避免橋接可能是一個難題。為芯片電氣互連的引線粘結(jié)而設(shè)計(jì)的晶圓通常有這種配置。在這些情況下，可將穿孔制成窄長的拉長橢圓或長方幾何形，并以交錯模式排列，盡量分隔相鄰的焊膏涂料。

　　圖五：對于單列焊墊配置，在焊墊上涂敷大量焊膏并減低橋接風(fēng)險的有效方法是將穿孔交錯排列。

　　圖5是這種方式的例子，若空間充裕，這種交錯排列方式也可以應(yīng)用于多行焊墊布局。對于在裸片切割通道附近的焊墊，必須采用不存在任何非鈍化金屬的焊膏。有一點(diǎn)很重要的，就是穿孔不能被置放于其它不接受焊膏的外露金屬特性部分(例如基準(zhǔn)點(diǎn)、標(biāo)記或商標(biāo))之上，這些特性部分可能對這種凸起方法的效力有著嚴(yán)重的影響，而且為網(wǎng)板穿孔置放工藝帶來極大挑戰(zhàn)。此外，也可能難以在裸片角落焊墊位置找到配合穿孔的足夠空間。由于穿孔特性的最大限制來自這些方面，建議根據(jù)這些情況開始網(wǎng)板設(shè)計(jì)工藝，以避免在下游工藝出現(xiàn)可能的災(zāi)難性問題。

　　結(jié)論

　　網(wǎng)板印刷晶圓凸起技術(shù)是可用于生產(chǎn)的低成本方案，可替代蒸發(fā)或電鍍等常規(guī)工藝技術(shù)。然而，隨著I／0數(shù)目增加和間距不斷減小，使用網(wǎng)板在這些焊點(diǎn)上印刷焊膏正變得越來越有挑戰(zhàn)性，而且，對于與之匹配的材料(如焊膏、網(wǎng)板等)和工藝設(shè)計(jì)水準(zhǔn)的要求也大大提高。因此，人們繼續(xù)進(jìn)行研究，以便更好地了解這些細(xì)節(jié)，從而達(dá)到進(jìn)一步改進(jìn)網(wǎng)板印刷晶圓凸起工藝之目的。