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半導(dǎo)體后端工藝:探索不同材料在傳統(tǒng)半導(dǎo)體封裝中的作用(下)

閃德半導(dǎo)體 ? 來(lái)源:閃德半導(dǎo)體 ? 2023-11-24 16:45 ? 次閱讀
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焊錫:從錫到無(wú)鉛合金,用于機(jī)械電氣連接

焊錫是一種熔點(diǎn)較低的金屬,這種特性使其廣泛用于各種結(jié)構(gòu)的電氣和機(jī)械連接。在半導(dǎo)體封裝中,焊錫被用于連接封裝和印刷電路板;在倒片封裝中,焊錫被用于連接芯片和基板。在連接封裝和印刷電路板時(shí),通常采用錫球的形式,尺寸從30微米到760微米不等。如今,隨著電氣性能的不斷提升,連接封裝和印刷電路板之間所需的引腳數(shù)量也在增加,這也間接導(dǎo)致了錫球尺寸被要求不斷縮小。

制作錫球時(shí)需要保證其合金成分的均勻性,否則會(huì)對(duì)跌落沖擊或溫度循環(huán)測(cè)試的可靠性造成影響。同時(shí),錫球還必須具有良好的抗氧化性,因?yàn)樵谠牧现苽溥^(guò)程中或回流焊過(guò)程中,氧化物的過(guò)度堆積可能導(dǎo)致錫球出現(xiàn)粘合效果不佳或脫落的問(wèn)題,也就是所謂的“不沾錫(Non-wetting)”問(wèn)題,因此,在焊接過(guò)程中需要使用助焊劑來(lái)清除其表面的氧化膜聚集,在回流焊過(guò)程中則需要使用氮?dú)鈦?lái)形成惰性氣氛,以避免此類(lèi)問(wèn)題的產(chǎn)生。

除此之外,焊接過(guò)程中還需要避免出現(xiàn)空隙,否則可能導(dǎo)致焊錫量不足,降低焊點(diǎn)可靠性。錫球的尺寸也至關(guān)重要,大小均勻的錫球有助于提高工藝效率。最后,錫球表面必須潔凈無(wú)污染,以防止枝蔓晶體(Dendrite)^12^生長(zhǎng),上述這些現(xiàn)象都會(huì)增加故障率,降低焊點(diǎn)可靠性。

此前,錫球通常由錫合金(鉛錫合金)制成,因具有良好的機(jī)械性能和導(dǎo)電性。然而在被發(fā)現(xiàn)鉛對(duì)人體健康具有潛在危害后,鉛的使用開(kāi)始受到歐盟RoHS指令^13^等環(huán)境保護(hù)法規(guī)的嚴(yán)格監(jiān)管,因此目前主要采用鉛含量不超過(guò)百萬(wàn)分之700ppm或更低含量的無(wú)鉛焊錫。

^12^枝蔓晶體(Dendrite):一種具有樹(shù)枝狀形態(tài)的晶體,是自然界中常見(jiàn)的一種分形現(xiàn)象。

^13^RoHS指令:歐盟出臺(tái)的《關(guān)于限制在電子電器設(shè)備中使用某些有害成分的指令》(RoHS),旨在通過(guò)使用更安全的替代品,來(lái)替換電子電氣設(shè)備中的有害物質(zhì),以保護(hù)環(huán)境和人類(lèi)健康。

膠帶:用于永久和臨時(shí)鍵合的壓敏膠(PSA)

本節(jié)將重點(diǎn)介紹兩種類(lèi)型的膠帶。第一種是用于將固體表面與同質(zhì)或異質(zhì)表面進(jìn)行永久粘合的膠帶。另一種是臨時(shí)粘合膠帶,如切割膠帶(Dicing tape)和背面研磨保護(hù)膠帶(Back grinding tape),它們可以通過(guò)內(nèi)聚力和彈性來(lái)實(shí)現(xiàn)粘合或清除作用,這些膠帶所使用的材料被稱(chēng)為壓敏膠。

背面研磨保護(hù)膠帶貼在晶圓正面,作用是在背面研磨過(guò)程中保護(hù)晶圓上的器件。在背面研磨過(guò)程結(jié)束后,須將這些膠帶清除,以避免在晶圓表面留下粘合劑殘留物。

切割膠帶也被稱(chēng)為承載薄膜(Mounting tape),用于將晶圓穩(wěn)固地固定在貼片環(huán)架上,以確保在晶圓切割過(guò)程中晶圓上的芯片不會(huì)脫落,因此,晶圓切割過(guò)程中使用的切割膠帶必須具備良好的粘合力,也必須易于脫粘。由于壓敏膠會(huì)對(duì)紫外線(xiàn)產(chǎn)生反應(yīng),因此在移除芯片之前,需要通過(guò)紫外線(xiàn)照射來(lái)處理切割膠帶,這樣可以減弱粘合力,便于移除芯片。

過(guò)去,晶圓在經(jīng)過(guò)背面研磨后會(huì)直接貼附在切割膠帶上;然而,隨著晶圓背面迭片覆膜作為芯片粘合劑的廣泛使用,如今,晶圓在經(jīng)過(guò)背面研磨后,會(huì)貼附在晶圓背面迭片覆膜和切割膠帶相結(jié)合處的膠帶上。

引線(xiàn):從金絲到銅絲,用于電氣芯片連接

在芯片的電氣連接中,用于連接芯片與基板、芯片與引線(xiàn)框架、或芯片與芯片的連接引線(xiàn),通常由高純度金制成。金具有出色的延展性,既可以加工成極薄的片材,又可以拉伸成細(xì)線(xiàn),這些特性都非常有助于布線(xiàn)過(guò)程的開(kāi)展。此外,金具有良好的抗氧化性,因此相應(yīng)可靠性也得到提升,同時(shí)卓越的導(dǎo)電性能又賦予其良好的電氣特性。

然而,由于金價(jià)較高,制造成本也相對(duì)較高,因此在布線(xiàn)過(guò)程中有時(shí)會(huì)使用較細(xì)的金絲,一旦拉伸過(guò)度便容易發(fā)生斷裂,這也限制了金絲的使用。為了解決這一問(wèn)題,人們開(kāi)始將銀等其他金屬與金混合制成合金,同時(shí)也會(huì)使用鍍金銀、銅、鍍鈀銅、鍍金鈀銅等金屬材料。

目前,銅絲正在逐漸替代金絲,這是因?yàn)殂~的可鍛性和延展性?xún)H略遜于金絲,同樣具備良好的導(dǎo)電性能,但卻具備明顯的成本優(yōu)勢(shì)。然而,由于銅易氧化,銅絲可能會(huì)在布線(xiàn)過(guò)程中或之后被氧化,所以與金絲布線(xiàn)不同的是,銅絲布線(xiàn)的設(shè)備采用密封模式且內(nèi)部充滿(mǎn)氮?dú)?,以防止暴露在空氣中的銅絲被氧化。

包裝材料:裝運(yùn)過(guò)程中的卷帶包裝

封裝和測(cè)試完成后,半導(dǎo)體產(chǎn)品會(huì)被運(yùn)送給客戶(hù)。半導(dǎo)體產(chǎn)品包裝通常采用卷帶(T&R)包裝和托盤(pán)(Tray)包裝兩種形式。卷帶包裝是指將產(chǎn)品封裝放在帶有“口袋”的膠帶上,“口袋”的尺寸需與產(chǎn)品封裝尺寸一致,具體操作是將膠帶卷起形成一個(gè)卷軸,再將卷軸打包并發(fā)送給客戶(hù)。托盤(pán)包裝指將產(chǎn)品封裝放入一個(gè)專(zhuān)用托盤(pán),然后將多個(gè)托盤(pán)堆疊起來(lái),打包裝運(yùn)。

晶圓級(jí)封裝材料的展望

在詳細(xì)介紹傳統(tǒng)封裝中各個(gè)工藝流程所使用的材料后,我們將在下一篇文章中重點(diǎn)探討晶圓級(jí)封裝所使用的材料。除了介紹這些材料的組成成分外,還將探索這些材料在確保半導(dǎo)體產(chǎn)品質(zhì)量和耐用性方面發(fā)揮的關(guān)鍵作用。






審核編輯:劉清

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原文標(biāo)題:半導(dǎo)體后端工藝:探索不同材料在傳統(tǒng)半導(dǎo)體封裝中的作用(下)

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