PCB封装装配技术所用材料的无铅化-

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PCB封装装配技术所用材料的无铅化
摘要：本文摘要叙述了无铅化立法确定的最后期限、凸点成形工艺、晶圆片凸点成行电镀技术、凸点下金属化及可靠性问题和无铅化材料的发展方向。从而说明，通过漏印板印数和电镀和晶圆片凸点形成技术事例，证明可靠的无铅化技术是合适的。
关键词：无铅，凸点成形，涂点下金属化，电镀，可靠性，晶圆片
1 引言
二十世纪九十年代后期，日本首先提出消除电子产品中的铅。如今，欧盟通过严格的立法对这一主张进行了响应。铅的毒性影响是众所周知的，电子产品中的铅的确可能对人类和环境构成威胁，例如在填筑坑中，废弃电子元件中铅的渗漏，同时也关系到铅矿的开采与加工；再者，在各累含铅类元器件的回收再利用阶段，有毒物的辐射也是个问题。然而，虽然正在研讨的大多数无铅替代物不会构成与毒性有关的威胁，但是会造成别的不良影响。例如，升高的熔点意味着消耗更多的能量；另一方面，在某些状况下，先进的设备和新的回流焊曲线也许在较高的熔点温度情况下，产生较少的功效。此外，还存在含银锡铅替代品的生态缺陷以及开采并叫公函贵金属矿物所需求消耗的巨大能量等问题。
2 立法确定的最后期限
经过多年的商讨和发布六个提案之后，25个欧盟国家驻进正在履行电子产品中前禁令的立法。规定截至2006年7月1日，欧洲市场上盛产的几乎所有电子产品必须是无铅的，包括信息及通信设施、消费类电子产品、家用电器、各类工具（如果不是固定的）、照明期间和别的电子产品。
用于服务器、存储器及存储器阵列系统和专用网络基础设施设备的焊料中的铅，不包括在此立法规则之中，最后期限到2010年止。另外，铅含量高于85%的焊料除外。根据欧盟委员会的禁令，进行了一项关于评定更进一步的免除状况（包括在当今高性能PC处理器中使用的封装中得到装芯片的互连）等的研究。欧盟的铅禁令在很多方面，如根据实际需求确定禁令指向范围等，还有待完善。 <BR>欧盟的无铅化立法将会影响全球的电子行业。此项立法成为别的国家相同立法的一个原型。例如，中国出台了《电子信息常品污染防治管理办法》，无铅化的最后期限也是2006年7月1日。
如今，在通往无铅化的征途上，要求在开展到装芯片和晶圆片级封装技术、SMT及波峰焊接技术方面进行广泛的材料研究和工艺鉴定。人们一直在不断地调研用于板上到装芯片和芯片规模封装技术的合适的各种材料和工艺。
3 凸点成形漏印板印刷技术
凸点成形工艺过程要求实施覆盖新的焊料材料的凸点下金属化过程。接着，在温度为高于焊料熔点温度大约20℃的状况下，通过回流焊完成印刷技术工艺过程，再进行清洗和最后的凸点检查。
凸点下金属化(UBM)过程需要与新的焊料材料相符，并通过化学镀镍工艺来完成。按照次序在化学电镀槽中处理晶圆片，接着，用锌酸盐进行焊盘清洗，以便激活表面、镍镀层(5μm)和浸液金层。化学镀镍凸点下金属化(UBM)过程是当今在世界范围被使用的构成良好的、高效率的过程。
焊料印刷技术需要细间距的漏印板、适合于细间距的应用和最佳化印刷参数的焊膏。由焊膏供应商提供的几种适合的无铅化焊料包括SnAg3.5、SnAgBiXX和SnCn0.9。用于低共晶锡铅焊料替代品的主要选择物之一为Sn955Ag4Cu0.5，在过程效率可与锡铅焊料相比的情况下，进行了成功的试验。刮板速度、漏印板擦拭要求和检查决定了产量。获得的典型的漏印板厚度为80μm，凸点高度大约为110μm。
熔化温度方面的差异，就SnAgCu0.5而言，从183℃增加到了217℃，在回流炉的热曲线中反映为从大约205℃增加到235℃。典型状况下，为了确保最小的再氧化状况，回流焊气氛为氮气。
此外，为了确保高水平的过程控制，须采用自动化光学检查系统对凸点化的晶圆片进行检查。确保高的凸点质量，使检查次数最小化，而不是100％的检查。最近的研究表明，形成凸点的专用试验装置也许可满足此要求。由于SnAgCu凸点的光学检查会受表面光洁度的影响(与以前使用的SnPb焊料有光泽的表面相比较)，因此这一步骤更关键，需要高度重视。
尽管到目前为止对一些问题进行了鉴定，然而成本计算已显示出用SnAgCu0.5焊料代替用于FCOB应用的SnPb焊料，也许会使凸点形成技术工艺的花费低于应用于高端生产的晶圆片50美元。
虽然技术方面的各种说明截止目前集中于倒装片凸点形成技术，但是随着细间距芯片规模封装(间距大于0.5mm)的到来，采用漏印板印刷技术的焊料淀积法将会成为固态球形位置的合适的替代者。
4 可靠性问题
汽车电子领域高熔化焊料的需求也推动了电子行业向焊料体系替代品的发展。这些新的焊料体系的可靠性问题成为需考虑的主要问题。由于SnAgCu焊料与SnPb37焊料相比，场应力略高且疲劳延展性略低，故认为SnAgCu焊料和SnPb焊料合金的疲劳寿命和失效机理几乎是相同的。实际上，在疲劳寿命方面起着主导作用的是焊点的热变化曲线和几何图形，而不是合金的组成成分。化学镀镍凸点下金属化(UBM)过程不仅对SnPb37有优越的剪切性能，而且对Sn95.5Ag3.8Cu0.7也具有良好的剪切特性。另外，在典型状况下，下填充技术对叠层<A href="http://www.greatpcba.com"&gtCB</A>上任何倒装芯片产品的可靠性的要求，就是应把大量的应力从焊点中消除掉，这样才能使寿命扩大到所需要的范围。
回流焊工艺有两种：一种用于晶圆片上焊球形成，而另一种用于装配。在通常情况下，两种回流焊工艺都用于倒装芯片加工工艺。Ni3Sn4是在化学镀镍凸点下金属化(UBM)上，可同时用于SnPb焊料成形和SnAgCu焊料成形的金属间化合物。对Sn95.5AgCu0.7焊料而言，在两种回流焊工艺之后，金属间的形态被称作规则的和厚块的。在升高的温度状况下，固态阶段的老化技术特别适用于倒装芯片应用，在150℃和170℃状况下老化1 000小时显示，不仅对SnPb焊料，而且对无铅焊料合金，转化成Ni3Sn4的镍的消耗量小于2μm。与低共晶焊料SnPb相比，Sn95.5Ag3.8Cu0.7焊料所消耗的镍的厚度增加了一倍。而对Sn95.5Ag3.8Cu0.7和SnPb焊料而言，在170℃进行老化，比在150℃时所消耗的镍的厚度增加了四倍。
在150℃时高温储存2 000个小时之后，就焊料凸点的剪切试验产生的剪切力，Sn95.5Ag4Cu0.5焊料高于SnPb焊料。另外，不仅在温度和湿度储藏(85℃和85％RH)之后，而且在热循环(40～150℃，循环1 000次)之后，Sn95.5Ag4Cu0.5焊料的剪切试验结果略好于SnPb焊料。再者，在大约40～125℃的循环条件下，使用Sn95.5Ag3.8Cu0.7焊料的倒装芯片装配的试验，与使用SnPb37焊料相比，其长期稳定性要好得多，而比传统的SnPb37(大约55～125℃和55～150℃的循环)焊料可靠性低。对这两种情况而言，下填充物材料的选择、焊剂残留物的数量和实际的焊点高度将会决定哪种接触类型更好实施。从而显示出，焊料合金的选择对产品的可靠性而言，仅仅是第二等级的因素。
目前正在考虑把纯锡焊料应用于150℃的环境中。在更高的温度条件下，低共晶金锡焊料(Au80Sn20)或填加银胶粘剂的状况提供的温度工作范围多达200℃。
CSP封装的接触点通常无需进行下填充工艺，预计无铅焊料较大的机械回弹性会增加器件的寿命。然而，当产生的应力不是通过软的SnPb焊料的蠕变在焊料凸点中释放时，失效模式会在较厚的金属间部位中从疲劳裂纹现象移到脆化裂纹现象，但是可借助于弹性无铅焊料传递到所有的界面。
5 超细间距焊膏与无铅焊料
为了确保印刷焊料的均匀，用于晶圆片形成凸点要求的焊膏为类型6(5～1 5μm)，因此，在回流焊之后减少了凸点高度的变化性。
与传统的PCBs上SMT焊膏印刷技术相比，超细间距焊膏较小的微粒尺寸意味着较高的粘度，这可极大地影响适印性和免除漏印的焊膏状况。扩大了的表面容积配给量，可表明焊料合金增加的氧化度，因此在焊膏中氧化物含量较高。所以要求采用活化剂，并且回流焊工艺需要氮气气氛。
SnPb37焊料应用于无铅化第三代或第四代细间距焊膏是采用的相同的制造技术。无铅化焊料的特性包括较低的剥离趋势，这是由无铅化合金和焊剂较低的密度差异造成的。
6 用于晶圆片凸点形成的电镀技术
漏印板印刷技术的最小间距，目前限制在150～200μm范围之内。对有超细间距和较宽的凸点尺寸范围的增加的互连密度而言，电镀技术是最受欢迎的。应用于此电镀技术工艺的间距可小到40μm。对高I／O和高功率芯片而言，各类半导体的国际半导体路线图预测，通常倒装芯片技术使用的凸点间距从2002年的160μm减小到2010年的90μm和2016年的70μm。
电镀技术工艺的凸点高度均匀度在±1μm范围内。这意味着从漏印板材料厚度和激光切割的精度方面的变化和从在漏印板开口中残存的主要的焊膏残留物两方面看，使用电镀技术比使用漏印板印刷可达到更好的均匀性。这里典型的变化在±7μm范围之内。
根据诸如凸点高度均匀性失效标准的确定，电镀技术的效率损失在10-6范围之内或者更少，这比通过漏印板印刷获得的好得多。因此，当效率损失使漏印板印刷对这些芯片无竞争性时，对高价值、大尺寸IC而言，电镀技术也许是"低成本"技术。
电镀技术的凸点下金属化过程，是由在整个晶圆片表面上均匀地溅镀Ti／W／Cu层和采用金属板印刷术工艺过程来确定凸点焊盘构成的。把额外的铜层进行电镀，在回流焊过程和形成金属间化合物的热应力阶段，通过焊料部分地完成电镀。即从基于甲烷黄酸的溶液中用电化学方法把焊料金属进行淀积。因为电镀工艺的加工时间依赖于凸点高度--与焊膏漏印板印刷工艺相反--电镀工艺限制于较小的凸点高度 剥去电镀掩模之后，用蚀刻工艺移去Ti／W／Cu凸点下金属化(UBM)层。把在晶圆片上淀积的焊料进行回流焊，以便形成球形的凸点，接着进行清洗步骤，以除去有机残留物。
通过对几种无铅化焊料的应用实施及深刻的研究，SnPb焊料较佳的替代品为SnAg3.5焊料。此焊料具有某些特殊性能。由于高的标准电极潜在差异，银比锡更易于淀积。因此需要针对银离子的很强的形成洛合物剂的状况，以防止其优先沉淀。
根据SnPb双相位图显示，焊料构成方面的小偏差不会极大地影响熔点状况。因而SnAg焊料的状况则更具有关键性，甚至对低共晶焊料构成加入少量的银(3.5％)，也会导致熔点方面极大的增加。再者，研究表明，对银含量为4％的情况而言，大的电镀形体的Ag3sn金属间化合物的增长较高，这对互连可靠性来说是严重的问题。就电镀而言，需对用于低共晶SnAg3.5焊料电镀的电镀槽和合金组成进行非常严格的控制。另一方而，当凸点下金属化过程的铜电镀在SnAg焊料中部分溶解时，已通过回流焊的凸点构成了SnAgCu合金，并可受到回流温度的影响。
与SnPb焊料相比，铜电镀基底的消耗随着SnAg焊料而增加。因此，不得不给电镀铜提供合适的厚度。在工艺成本上，SnPb焊料和SnAg焊料之间不存在显著的差异。
7 发展方向
漏印板印刷技术和电镀晶圆片凸点形成技术的事例，捕述了用于高级互连技术的无铅化替代品目前的状况，从而说明可靠的无铅化技术是可行的。尽管如此，在2006年无铅化的最后期限前，实施这些工艺过程的时间会变得越来越短，各种无铅化材料和元器件的供给仍然是关键性的问题，需要我们做出更大的努力。</td>