影響晶圓凸起網板印刷效果的基本設計事項

　　前言

　　要確保采用網板印刷的晶圓凸起工藝優(yōu)良率達到理想的水準，必須考慮多項重要的設計因素。

　　網板印刷

　　采用標準表面安裝設備的網板印刷技術，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，不同的應用需要不同的定制設計指引，并依從特定的設備、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)

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

　　倒裝芯片粘結墊設計

　　倒裝芯片勝過線粘結、面朝上的板上芯片器件的優(yōu)勢之一在于，由于導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計，從而在實際的情況下達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表面組合。在回流焊過程中，UBM對網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度、可靠性和性能。

　　焊墊尺寸和形狀

　　芯片上焊墊的大小，對網板印刷產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，凸起及焊點強度受到重要影響，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，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

　　突起的可潤濕粘結面積的尺寸和幾何。

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

　　一項經驗則是把焊墊粘結點的尺寸保持在最大不超過間距的一半，最小不小于65um(注一)。要計算回流焊凸起的尺寸隨焊墊大小和幾何的變化關系，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，可作為網板設計工具，有助于決定合適的網板穿孔大小，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，在設計有關穿孔的形狀和位置時就擁有更大的靈活性，從而使生產量達到最大。高密度布局也可以更有效地設計至可以進行較大型焊膏涂敷的網板印刷，只需把相鄰的焊墊交錯排開。設計多列式焊墊配置的網板更具挑戰(zhàn)性，因為網板的金屬箔面會堆滿穿孔，變得非常復雜。目前先進的精密間距網板印刷技術似乎停留于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、焊點強度及整體可靠性等問題的關注。

　　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到一致而無瑕疵印刷焊膏量的位置。采用非標準穿孔形狀在這里是必要的，因為高密度穿孔可能占用了大量網板面積，而形狀獨特的穿孔使涂敷時很難預計轉移效率的高低，  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，讓網板穿孔的設計更有彈性。

　　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。大部分裸片焊墊均由鋁制成，與低共熔S n／Pb焊膏的粘結并不很好，因此需要一層填隙式的材料，能夠粘結鋁及低共熔Sn／Pb焊膏，覆蓋于鋁墊的表面。在復上了保護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)界爭相找尋具經濟效益的材料和工藝方式。在這種情況下，有關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，只有沒有經過鈍化的金屬特性部分(即鋁粘結墊)才會被鎳／金凸起底部金屬層覆蓋。要維持良好的濕潤特點，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氣調節(jié)絕緣存儲柜內，以阻止不良氧化殘余物的形成。

　　托盤設計

　　由于晶圓是非常精細的物件，故運送方式是一個關鍵事項。在網板印刷時，應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印頭有足夠大的表面來涂敷及轉動焊膏，使得焊膏完全滲入穿孔。

　　設計適當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。

　　網板設計

　　網板可說是最重要的工具，必須正確設計才可達到高優(yōu)良率的凸起佳績。網板的作用是把焊膏分為一份一份精心計算的數(shù)量，分置于晶圓上的冶金粘結點。要成功創(chuàng)造出能達到無瑕疵結果的網板穿孔設計，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。影響晶圓凸起的網板切割技術的項目包括網板厚度、穿孔大小、形狀、定向和位置，  以及影像對齊。

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　　網板切割技術

　　對于晶圓凸起網板來說，切割技術必須能產生數(shù)以千計緊密分布、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確，盡量貼近計算機生成的設計。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，穿孔間的距離不應少于3mil(以3mil厚的網板來說)。在某些情況下穿孔需要偏移，避免完全置于焊墊中心。根據網板上特定區(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，網板切割技術必須能準確地定位穿孔，偏移只可少于數(shù)微米。

　　在市場現(xiàn)有的技術中，只有激光切割和電鑄網板適用于復制計算機生成的原圖，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切割網板，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補救。激光切割另一項特點是網板上穿孔的壁面是有斜度的，網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板的底部，斜削的穿孔實際上可增強網板的焊膏釋出。激光切割工藝的缺點是生產具有無數(shù)小穿孔的網板的成本高昂，穿孔的數(shù)量越多，生產激光切割網板的成本便越高。相反，生產電鑄網板的原圖的成本與設計的穿孔數(shù)量無關，  電鑄網板的穿孔尺寸和位置與激光切割網板同樣準確，而穿孔壁雖然并非自然斜削，但卻比較平滑。

　　網板厚度

　　在決定需要多大的穿孔才能涂敷達到目標回流焊凸起高度所需的焊膏量時，網板金屬箔片的厚度起著決定性的作用。根據晶圓凸起研究，建議選擇網板厚度可按這個標準：網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板設計中，網板厚度及穿孔尺寸的關系非常密切。如果要求的焊膏量相同，較薄的網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?shù)拇┛壮叽绾秃穸冉M合，以獲得可接受的轉移效率。既滿足焊膏量的要求，又不會令穿孔過于緊密，這是一項極具挑戰(zhàn)性的工作。最大的網板設計挑戰(zhàn)往往在于裸片的角落，而這種情況卻很普遍。在設計斜削激光切割穿孔時應注意的另一個重要事項是：必須緊記，網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。要達到填料質量更加一致和優(yōu)良，圓角的穿孔較尖角的有更佳效果，因為焊膏循微彎的邊緣流動填充遠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    

　　設計穩(wěn)固的網板時穿孔的尺寸和幾何是重要的考慮因素，但穿孔定向對回流焊凸起尺寸的分布的影響也不容忽略。除了要以最高的轉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墊或其它物件：凸起不足則無法黏著任何物件。通過設計穿孔定向合適的網板，可以改進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，因為任何角度對于目標的定向都是相同的；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重，因為其東西定向、南北定向或任何角度定向都不一樣，網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，如果沒有在設計中加入某些技巧，這并不容易。

　　方法之一是所有穿孔互相垂直，就如標準QFP組件所采用的穿孔定向策略。當移動至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，以致有較大機會出現(xiàn)橋接瑕疵，因此把相鄰的穿孔設計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

　　標準SMT應用如QFP或BGA器件的網板印刷，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，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，建議焊膏應覆蓋至少50％的焊墊，讓焊膏熔液適當?shù)爻坊夭⑼耆劢Y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而設計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(例如基準點、標記或商標)之上，這些特性部分可能對這種凸起方法的效力有著嚴重的影響，而且為網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，建議根據這些情況開始網板設計工藝，以避免在下游工藝出現(xiàn)可能的災難性問題。

　　結論

　　網板印刷晶圓凸起技術是可用于生產的低成本方案，可替代蒸發(fā)或電鍍等常規(guī)工藝技術。然而，隨著I／0數(shù)目增加和間距不斷減小，使用網板在這些焊點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、網板等)和工藝設計水準的要求也大大提高。因此，人們繼續(xù)進行研究，以便更好地了解這些細節(jié)，從而達到進一步改進網板印刷晶圓凸起工藝之目的。