相信大家已經(jīng)看過我們公眾號中與回流焊以及熱壓鍵合相關(guān)的文章。特別是熟悉芯片回流焊（Mass Reflow）的工藝專家們，對助焊劑（Flux）都應(yīng)該非常了解。在我們正常的理解中：沒有助焊劑，則倒裝焊封裝形式的芯片與基板就無法焊接；沒有助焊劑，則BGA產(chǎn)品的焊錫球也無法焊接道基板上。同樣，在更為先進(jìn)的熱壓鍵合中助焊劑可以去掉焊錫球的氧化層，從而防止虛焊（NON WET Open）的發(fā)生。在熱壓鍵合工藝中助焊劑起到了至關(guān)重要的作用。
助焊劑這么重要，為什么還有公司費(fèi)力開發(fā)無助焊劑工藝呢？我們從兩個(gè)方面開講：一，無助焊劑回流焊；二，無助焊劑熱壓鍵合。
一，無助焊劑回流焊：
回流爐看似簡單，實(shí)則復(fù)雜。當(dāng)前半導(dǎo)體封裝常用的回流爐設(shè)備主要來自兩家企業(yè)：BTU和Heller。而本文要講的無助焊劑回流焊就來自Heller公司，而且據(jù)說Heller公司是世界上第一家提供該設(shè)備的供應(yīng)商。
圖1，Heller公司生產(chǎn)的1936型無助焊劑回流爐
如圖1所示，設(shè)備外觀與普通回流焊中使用的氮?dú)鉅t無明顯差異。而其內(nèi)部大有乾坤，如圖2所示：首先，產(chǎn)品被惰性氣體保護(hù)送入甲酸氣體處理區(qū)，焊錫球表面氧化層被反應(yīng)完全，而此時(shí)溫度在150℃至190℃之間，也成為SOAK區(qū)，低于焊錫球熔點(diǎn)。接著，在同一個(gè)大的爐腔內(nèi)，產(chǎn)品被傳送網(wǎng)送至回流區(qū)（回流腔體溫度在250℃左右）。最后，產(chǎn)品經(jīng)過冷卻區(qū)快速降溫。
圖2，Heller 無助焊劑回流爐中內(nèi)部示意圖
該設(shè)備主要設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于甲酸氣體的控制，酸性氣體泄露等極易引起安全事故。該設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)也很明顯，由于沒有助焊劑蒸汽殘留，設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)工作將會(huì)變的更為輕松。也不會(huì)產(chǎn)生助焊劑殘留物低落在產(chǎn)品上造成產(chǎn)品外觀缺陷的問題。
二，無助焊劑熱壓鍵合：
封面所示的無助焊劑熱壓鍵合工藝是KnS (庫力索法Kulicke & Soffa)公司研發(fā)的工藝。本文也主要參考了他們的一篇學(xué)術(shù)報(bào)道。
回到開發(fā)這種新工藝的原因：助焊劑對熱壓鍵合非常不友好。這種非常不友好主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
1. 影響機(jī)械精度：助焊劑容易揮發(fā)，在熱壓鍵合時(shí)助焊劑在高溫下會(huì)形成助焊劑蒸汽，這些蒸汽會(huì)污染鍵合頭使得鍵合頭精準(zhǔn)度降低。
2. 污染對位鏡頭：由于熱壓鍵合定位精度要小于1微米，因此鍵合頭、芯片以及基板的定位異常重要。為了完成準(zhǔn)確定位，需要使用多個(gè)攝像頭進(jìn)行定位。而高溫下助焊劑蒸汽揮發(fā)會(huì)在短時(shí)間內(nèi)污染定位用的相機(jī)鏡頭。大家可以想象如果讓生產(chǎn)線操作員每幾個(gè)小時(shí)就進(jìn)入設(shè)備擦拭一次鏡頭，那對大批量生產(chǎn)來講簡直就是一種折磨。
3. 增加額外步驟來清除助焊劑：助焊劑殘留需要熱壓鍵合后通過高壓高溫水沖洗，如果沒有助焊劑則可以省去一個(gè)加工步驟。同時(shí)，高溫高壓水沖洗也會(huì)在基板的通電接觸點(diǎn)或BGA焊錫球位置發(fā)生一些化學(xué)反應(yīng)，為后道的工藝產(chǎn)生一些不確定性。
4. 芯片焊接區(qū)域助焊劑不完全清除導(dǎo)致環(huán)氧樹脂填充時(shí)產(chǎn)生缺陷。特別隨著晶圓制程的發(fā)展，BUMP之間的間距越來越小，當(dāng)BUMP的間距小于50微米或更小時(shí)，通過高溫高壓水來清除助焊劑會(huì)變的越來越困難。
有這么多缺點(diǎn)，那么無助焊劑工藝就勢在必行。半導(dǎo)體行業(yè)是用金子堆出來的行業(yè)，只要有需求就有公司可以滿足。KnS在2021年就首先開發(fā)出了無助焊劑熱壓鍵合設(shè)備。我們接下來一起看看該設(shè)備是怎么做到的？
圖3，無助焊劑熱壓鍵合示意圖：具備惰性氣體環(huán)境和甲酸氣體 Main Exhaust: 主排風(fēng)系統(tǒng)，N2 Chamber：氮?dú)馇惑w， Shroud: 遮掩罩，F(xiàn)A Vapor: 甲酸氣體，N2 Tunel: 氮?dú)馔ǖ?，Substrate：基板，Entry door: 進(jìn)口門，Wafer Handler: 晶圓移動(dòng)臂，Main machine compartment(Air): 主設(shè)備隔間（空氣）
如圖3所示，無焊劑焊接工藝在熱壓鍵合設(shè)備（TCB）中進(jìn)行，其中包含內(nèi)部可控環(huán)境腔室、氮?dú)馔ǖ篮桶惭b在鍵合頭上的一套甲酸氣體傳遞系統(tǒng)。整個(gè)流程為：基板放在基座上進(jìn)行預(yù)加熱，在氮?dú)獗Ｗo(hù)的通道中被傳送到鍵合頭下方。鍵合頭將晶粒吸起，根據(jù)BUMP點(diǎn)進(jìn)行對位，在升溫的同時(shí)噴出甲酸氣體將基板及晶粒上的BUMP氧化層去除，然后進(jìn)行熱壓鍵合。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4，5 證明該設(shè)備加工的大芯片（30mmx30mm）, 小的BUMP 間距（55um 及80um）最終的鍵合效果完全可以與有助焊劑鍵合效果媲美。而且整體加工窗口寬，工藝穩(wěn)定性強(qiáng)。
圖4，晶粒邊緣焊接橫截面
圖5，晶粒中心焊接橫截面
最后，根據(jù)行業(yè)專家Semicon Solutions的看法，助焊劑的缺點(diǎn)將會(huì)在未來的先進(jìn)封裝工藝中變得越來越明顯，這也是為什么眾多領(lǐng)頭羊公司在研究和開發(fā)無助焊劑工藝及設(shè)備。因此，無助焊劑工藝無論是在普通的回流焊還是在較為先進(jìn)的熱壓鍵合的市場份額都會(huì)不斷增加。作者水平有限，難免有不足之處，歡迎各位專家加群討論。
作者：Semicon Solutions & 樹先生
參考網(wǎng)址及文獻(xiàn)：
- https://hellerindustries.com/formic-reflow/
- Fluxless Bonding of Large Area (>=900 mm2 ) Dies- Opportunities and Challenges, 2021
原文始發(fā)于微信公眾號（艾邦半導(dǎo)體網(wǎng)）：先進(jìn)封裝方向之無助焊劑凸點(diǎn)鍵合