倒裝焊后清洗工藝及其對底部填充的影響

湯姝莉，趙國良，張 健，薛亞慧

（西安微電子技術(shù)研究所，西安 710119）

1 引言

引線鍵合技術(shù)和倒裝焊接是集成電路互連的2 種主要方式。引線鍵合技術(shù)需在芯片四周分布焊盤并通過引線與基板進(jìn)行互連，互連密度則因此受限于芯片尺寸、基板布線能力及鍵合工藝等因素，鍵合工藝可實(shí)現(xiàn)的芯片互聯(lián)I/O 數(shù)同時也受到限制。而倒裝焊接可通過在芯片整個有源面進(jìn)行布線及陣列式I/O 排布，并利用倒裝焊技術(shù)通過芯片表面的微凸點(diǎn)與基板或直接與管殼進(jìn)行互連，微凸點(diǎn)既能夠作為機(jī)械支撐也可實(shí)現(xiàn)電氣互連，顯著提高了芯片單位面積I/O 數(shù)及組裝密度；同時將水平的信號傳輸方向部分轉(zhuǎn)變?yōu)樾酒怪狈较颍蟠罂s短了信號傳輸距離，為實(shí)現(xiàn)高速信號傳輸?shù)於嘶A(chǔ)。因此倒裝焊接可大大促進(jìn)電子產(chǎn)品的小型化、輕量化、多功能化，滿足集成電路的高集成度及重要領(lǐng)域微電子器件高性能、高密度、高可靠性的需求[1-3]。

與常見的表面貼裝焊接工藝相同，倒裝焊接也需要用到助焊劑，因此焊后需對助焊劑進(jìn)行清洗。若清洗不凈，殘留的助焊劑除了會造成表面污染，容易導(dǎo)致焊點(diǎn)氧化或腐蝕，還會阻礙倒裝焊芯片底部填充膠的流動及固化，影響產(chǎn)品的性能及可靠性[4-6]。

微電子行業(yè)內(nèi)常用的焊后清洗方法有清洗液浸洗或刷洗、汽相清洗、真空汽相清洗等工藝[7-9]。清洗時使用的清洗液根據(jù)對不同成分助焊劑等污染物的溶解性，可分為水基與CFC 基、醇基、碳?xì)浠?、烴基等有機(jī)溶劑型2 類[10-11]，可依據(jù)實(shí)際情況選擇溶劑清洗、水清洗及半水清洗方法，即先用溶劑型清洗液噴淋，再用去離子水進(jìn)行漂洗[12-13]。

對于傳統(tǒng)的印制板表貼焊接工藝，焊后通常采用直接在清洗液中浸洗、擦洗或利用毛刷刷洗的方式對助焊劑進(jìn)行清洗[14]。印制板上表貼的一般為塑封、陶封器件，且器件間距較大，毛刷刷洗能夠達(dá)到較好的清洗效果，器件也不易受到機(jī)械損傷。然而對于倒裝焊裸芯片，一方面裸芯片容易損傷，不適于進(jìn)行刷洗；另一方面助焊劑更容易在芯片與基板的縫隙中殘留，且縫隙寬度小于芯片凸點(diǎn)直徑，而刷洗僅能清潔器件或基板表面，無法對如此微細(xì)的縫隙中進(jìn)行清洗。因此傳統(tǒng)的浸洗或刷洗雖然操作簡單、對設(shè)備要求較低，但不適用于倒裝焊工藝。而汽相清洗、真空汽相清洗有別于傳統(tǒng)的機(jī)械清洗，可通過加熱汽相清洗溶劑至沸騰，溶劑蒸汽接觸被清洗器件后凝結(jié)同時帶走污染物，并在設(shè)備中進(jìn)行循環(huán)，利用始終純凈的蒸汽實(shí)現(xiàn)清洗器件的目的，具有振動少、損傷小、效率高等優(yōu)勢，更加適用于高可靠、高密度、小間隙的電子產(chǎn)品清洗[15-16]。

本文利用汽相清洗與真空汽相清洗2 種方法對倒裝焊后的芯片/硅基板組件進(jìn)行助焊劑清洗，并對比不同工藝參數(shù)條件下的清洗效果，研究助焊劑殘留對底部填充膠流動及固化過程的影響，針對多凸點(diǎn)、細(xì)間隙倒裝焊結(jié)構(gòu)探索得到有效的清洗技術(shù)。

2 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)選用焊球凸點(diǎn)陣列排布的硅芯片和硅基板進(jìn)行互連形成倒裝焊組件。芯片尺寸為9.7 mm×10.1 mm，共包含2975 個凸點(diǎn)，凸點(diǎn)直徑/ 節(jié)距為φ90 μm/180 μm。硅基板尺寸為15 mm×23 mm，并利用電鍍工藝在直徑為90 μm 的焊盤表面制備了SnAg凸臺，芯片及硅基板外觀見圖1。

首先采用倒裝焊設(shè)備吸拾芯片，蘸取膏狀助焊劑后，通過對位標(biāo)記完成芯片與硅基板的倒裝焊對位，再利用真空釬焊爐將完成對位的倒裝焊組件進(jìn)行回流焊接，通過SnAg 凸臺的熔化及凝固過程形成與芯片凸點(diǎn)的連接。

圖1 倒裝焊芯片及硅基板形貌

將焊接后的芯片/硅基板組件進(jìn)行分組，分別利用汽相清洗與真空汽相清洗2 種工藝進(jìn)行組件的清洗，并采用不同的清洗參數(shù)，如表1、表2 所示。

試驗(yàn)中由于汽相清洗及真空汽相清洗設(shè)備不同，過程及參數(shù)設(shè)置也有所區(qū)別。汽相清洗過程分為兩個階段：①沸騰區(qū)蒸汽清洗；②漂洗區(qū)清洗液漂洗。試驗(yàn)進(jìn)行了5 min、10 min 2 組沸騰區(qū)時間及1 min、5 min、10 min 3 組漂洗區(qū)時間的對比。真空汽相清洗的過程為：①預(yù)清洗循環(huán)；②正式清洗循環(huán)；③最終蒸汽漂洗；④真空干燥。預(yù)清洗與正式清洗均為蒸汽脫脂—噴淋—浸沒噴淋3 個步驟的循環(huán)過程，可通過調(diào)節(jié)各步驟的持續(xù)時間及循環(huán)次數(shù)控制預(yù)清洗循環(huán)及正式清洗循環(huán)的時間。由于焊后助焊劑放置時間越長越易影響清洗效果，為了排除其他因素，各倒裝焊組件樣品進(jìn)行清洗時的焊后放置時間均控制在1h 以內(nèi)。

表1 倒裝焊組件樣品汽相清洗工藝參數(shù)

表2 倒裝焊組件樣品真空汽相清洗工藝參數(shù)

清洗完成后取1 只樣品，將芯片取下觀察硅基板及芯片表面助焊劑殘留情況。另取1 只樣品，利用填充膠進(jìn)行底部填充，觀察填充膠的流動情況，在同樣條件下對比膠的固化效果及填充效果，以研究殘留的助焊劑或清洗液對底部填充過程的影響。所用填充膠的黏度為7.5 Pa·s，具有優(yōu)異的流動性。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 不同清洗方式及參數(shù)的影響

汽相清洗與真空汽相清洗兩種方式具有相似的機(jī)理，二者均將溶劑加熱成為高溫蒸汽，利用高溫蒸汽將器件表面及縫隙中的沾污等多余物質(zhì)進(jìn)行軟化，再通過清洗溶劑對其進(jìn)行漂洗。

二者區(qū)別在于真空汽相清洗設(shè)備可提供真空環(huán)境，并且可對多個清洗步驟分別進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，能夠?qū)崿F(xiàn)對清洗過程的精細(xì)調(diào)控。首先在預(yù)清洗階段利用溶劑升溫形成的蒸汽對器件進(jìn)行預(yù)熱，同時蒸汽對器件表面沾污產(chǎn)生軟化及脫脂效應(yīng)，大幅度降低后續(xù)的清洗難度。接著通入清洗劑進(jìn)行浸沒及噴淋，對污染物進(jìn)行充分清洗。一般蒸汽脫脂（漂洗）、噴淋、浸沒噴淋作為一個清洗循環(huán)，可根據(jù)實(shí)際需要重復(fù)此循環(huán)。最終再通入潔凈的蒸汽對器件進(jìn)行汽相清洗，并在真空環(huán)境下進(jìn)行干燥。所有的清洗過程均在真空下完成，既保證了設(shè)備的安全性，又能夠降低溶劑表面張力，實(shí)現(xiàn)超細(xì)間隙倒裝焊結(jié)構(gòu)的清洗。

將利用不同方法或參數(shù)清洗后的各樣品在OLYMPUS SZ61 型顯微鏡下進(jìn)行表面觀察，并由樣品側(cè)面觀察芯片與基板的縫隙，最后將倒裝焊樣品沿芯片中線截?cái)?，確認(rèn)芯片中心部位底部的清洗效果，結(jié)果見表3。

表3 倒裝焊組件樣品清洗效果

由結(jié)果可以看出，利用汽相清洗在短時間內(nèi)無法將芯片及硅基板表面的助焊劑進(jìn)行有效清洗，清洗后的表面見圖2(a)?？偳逑磿r間需15～20 min 以上才能將倒裝焊組件表面的助焊劑基本清洗干凈，見圖2(b)。但是即使延長了清洗時間，由芯片側(cè)面觀察其與硅基板的縫隙時發(fā)現(xiàn)邊緣凸點(diǎn)之間仍殘留有大量助焊劑或清洗液，且并未隨著清洗時間的延長而獲得改善，如圖2(c)所示。因此說明非真空環(huán)境下的汽相清洗由于清洗液表面張力導(dǎo)致清洗液無法進(jìn)入極細(xì)微的縫隙，不適用于裸芯片倒裝焊、BGA 等具有數(shù)百微米以下極細(xì)微縫隙結(jié)構(gòu)的清洗，尤其是尺寸較大的芯片，其中心位置的底部縫隙基本無法得到清洗。

利用真空汽相清洗則基本能夠?qū)⒌寡b焊芯片及硅基板表面清洗干凈，清洗后的組件表面見圖3(a)。由倒裝焊芯片側(cè)面觀察其與基板間隙邊緣，可以發(fā)現(xiàn)除清洗時間最短的2-1 組樣品外，其余樣品均未觀察到間隙有殘留的助焊劑，如圖3(b)所示。接著將芯片由中間截?cái)?，觀察芯片中心部位縫隙中的形貌，見圖3(c)。可以發(fā)現(xiàn)通過真空汽相清洗，即使是清洗液或蒸汽最難進(jìn)入的芯片中心部位，也能夠清洗干凈，未觀察到有助焊劑或清洗液殘留問題。

圖2 汽相清洗后倒裝焊樣品形貌

圖3 真空汽相清洗后倒裝焊樣品形貌

綜上所述，試驗(yàn)中倒裝焊芯片凸點(diǎn)尺寸較小，焊后因凸點(diǎn)塌陷使得芯片底部縫隙僅有50 μm 左右。真空環(huán)境下清洗劑在器件上的表面張力較小，溶劑更易于進(jìn)入細(xì)小的縫隙，可將倒裝焊芯片底部的助焊劑徹底清洗干凈。而利用非真空環(huán)境的汽相清洗很難對細(xì)微縫隙中的助焊劑進(jìn)行有效清洗，長時間清洗后仍有大量助焊劑殘留。因此針對細(xì)微縫隙的倒裝焊結(jié)構(gòu)，真空汽相清洗的效果明顯優(yōu)于汽相清洗，真空汽相清洗技術(shù)是實(shí)現(xiàn)細(xì)微間隙倒裝焊結(jié)構(gòu)良好清洗的關(guān)鍵。利用預(yù)清洗（≥3 min）→正式清洗（≥3 min）→蒸汽漂洗（≥3 min）→真空干燥（≥4 min）的工藝參數(shù)進(jìn)行50 μm 間隙倒裝焊結(jié)構(gòu)的真空汽相清洗，可達(dá)到良好的清洗效果，芯片與基板的間隙無助焊劑或清洗液殘留。

3.2 清洗效果對底部填充的影響

由于芯片、基板、凸點(diǎn)之間熱膨脹系數(shù)差異產(chǎn)生的應(yīng)力是導(dǎo)致倒裝焊結(jié)構(gòu)失效的關(guān)鍵因素之一，為了消除這一應(yīng)力，底部填充被廣泛應(yīng)用于倒裝焊工藝以提高其可靠性[17]。底部填充的過程為，首先將底部填充膠沿芯片邊緣注入，借助液體的毛細(xì)作用，底部填充膠被吸入芯片與基板的間隙并向中心及非施膠邊流動，直至由非施膠邊流出，填滿后在高溫下將填充膠進(jìn)行固化。

芯片底部清洗效果不良，間隙中有助焊劑及清洗液殘留時會直接影響底部填充過程及固化效果。取不同工藝及參數(shù)清洗后的倒裝焊樣品，同時進(jìn)行底部填充及固化，觀察注入填充膠時的流動性，固化后對樣品固化效果及填充效果進(jìn)行對比，結(jié)果在表4 中列出。

表4 不同清洗方法及參數(shù)樣品底部填充效果

首先，觀察樣品填充過程時發(fā)現(xiàn)，1-1、1-4 組樣品底部填充膠的流動相對較慢，在芯片施膠邊注入同樣量的填充膠時，與2-1、2-5 組樣品相比非施膠邊流出填充膠所需的時間更長。固化后1-1 組樣品芯片邊緣觀察到有局部填充不足造成的空洞[見圖4(a)]，1-4 組樣品芯片四邊雖均有填充膠溢出但填充膠邊緣呈現(xiàn)不均勻、不平滑的形貌[見圖4(b)]，均是由填充膠流動時受到殘留助焊劑或清洗液的阻礙所致。

圖4 汽相清洗倒裝焊樣品底部填充固化后形貌

另外，足夠的干燥時間也是影響最終清洗效果的關(guān)鍵因素之一。觀察2-1 組樣品清洗后芯片的底部填充膠固化前后形貌，可以發(fā)現(xiàn)僅經(jīng)過2 min 真空干燥的2-1 樣品芯片非施膠邊有局部填充不足，在固化前呈與黑色填充膠顏色不同的半透明狀[見圖5(a)]，而固化后該處半透明液體揮發(fā)形成空洞[見圖5(b)]。由于助焊劑在固化溫度下不會發(fā)生分解或汽化，而清洗液的汽化溫度低于填充膠的固化溫度，說明該處為殘留的清洗液，會阻擋填充膠的流動，從而在固化后汽化導(dǎo)致填充不足的問題。而2-5 組樣品則沒有出現(xiàn)該問題，芯片四邊均填充良好，膠形均勻一致，利用超聲掃描對2-5 組樣品進(jìn)行檢測，結(jié)果如圖6 所示，可以發(fā)現(xiàn)底部填充效果良好，空洞率≤5%，無明顯缺陷。

最后，為研究助焊劑或清洗液殘留對底部填充膠固化效果的影響，如圖7、圖8 所示，利用鎢針對各個樣品固化后填充膠表面進(jìn)行施壓、劃動等測試，發(fā)現(xiàn)有助焊劑殘留及清洗液揮發(fā)后形成的空洞附近填充膠仍為較軟的凝膠狀，見圖7(a)；鎢針在其表面可形成較深的劃痕，見圖7(b)；而其余部位的填充膠已形成硬度較高的固體，鎢針在其表面劃動基本不會留下痕跡，見圖8。經(jīng)三量LX-D 型邵氏硬度計(jì)檢測，固化后的填充膠硬度可達(dá)98（Shore D）。樣品固化均在底部填充膠完全固化所需的同一條件下進(jìn)行，說明助焊劑或清洗液的成分會導(dǎo)致底部填充膠固化不良，無法起到消除倒裝焊結(jié)構(gòu)應(yīng)力、提高倒裝焊長期可靠性的作用。

圖5 真空汽相清洗2-1 組倒裝焊樣品底部填充固化前后形貌

圖6 真空汽相清洗2-5 組倒裝焊樣品底部填充固化后形貌及超聲掃描結(jié)果

圖7 有清洗液或助焊劑殘留時未充分固化底部填充膠形貌

圖8 倒裝焊后清洗干凈時充分固化底部填充膠形貌

4 結(jié)論

與常規(guī)汽相清洗相比，真空汽相清洗技術(shù)更適用于細(xì)微間隙的倒裝焊結(jié)構(gòu)清洗，由于真空環(huán)境能夠降低清洗液及蒸汽的表面張力，使清洗液進(jìn)入倒裝焊芯片底部的細(xì)微間隙，進(jìn)行有效清洗；利用預(yù)清洗（≥3 min）→正式清洗（≥3 min）→蒸汽漂洗（≥3 min）→真空干燥（≥4 min）的真空汽相清洗過程可充分洗凈倒裝焊芯片與基板約50 μm 間隙中的助焊劑，清洗后尺寸10 mm×10 mm 以內(nèi)的倒裝焊芯片底部中心部位無助焊劑殘留；底部填充過程會受到間隙中殘留助焊劑或清洗液的影響，填充膠可能產(chǎn)生流動受阻、填充不充分、固化不良等問題，而當(dāng)?shù)寡b焊組件進(jìn)行了足夠時間的真空汽相清洗并充分干燥后，填充膠空洞率≤5%，可獲得良好的底部填充效果。