满足PCB互连要求的无铅化工艺和材料

　　在走向无铅化的道路上，为了能够满足倒装芯片和晶圆级封装、SMT以及波峰焊接的需要，要求对各种各样的材料和工艺方案进行研究。为了能够满足电路板上的倒装芯片和芯片规模封装技术，需要采用合适的工艺技术和材料。采用模板印刷和电镀晶圆凸点工艺，可以实现这一目标。

　　铅在电子工业中有着非常广泛的应用需求，这是因为它的价格比较低廉，同时具有良好的导电性和相对较低的熔点。然而，根据有关的国际公约，特别是欧盟的规定，许多国家和电子产品用户的技术标准都规定，在提供销售的商品中要消除有害材料的使用。因此尽管它的应用非常普及，但在电子行业中人们还是在不断地寻找铅的替代品。

　　丢弃铅-这条信息是在90年代后期从日本发出的，目前己经在欧盟（European Union 简称EU）通过了严格的立法。与此同时铅所带来的毒性冲击己经被越来越多的人所知晓，但是人们依然在对电子产品中是否能含有铅进行激烈的争论，它对人类和环境构成了威胁。人们所关心的事是对来自于垃圾填埋场所丢弃掉的电子元器件中的铅及铅矿和铅的加工处理过程中铅是否能被过滤掉。另外，在对含铅元器件进行回收的过程中有毒物体的散发也是一项人们所关心的问题。我们替代铅的绝大多数产品可以消除人们对铅毒性的关注，但是也可能会引发其它的环境问题。举例来说，熔化点的提高就意味着更多的能源消耗。但是从另外一个方面来说，在一些实际操作过程中，通过采用先进的设备和新的回流焊接加工曲线，可以在较高的熔化温度下，减少能源的消耗。作为含有SnPb替换物的银对生态所产生的破坏作用是在开矿和处理矿石中所含有的贵金属时，需要消耗巨大的能源。

　　1、关于无铅化的最后期限

　　在经过了多年谈判协商和多个提案，25个欧盟成员发表声明目前己经完成立法，要取缔在电子产品中的铅。到2006年7月1日，在欧洲市场上的几乎所有的电子产品必须是无铅的产品。这包括信息和通讯技术方面的设备、消费类电子产品、家用器具、工具、照明设备和其它等等。

　　对于用于服务器、存储器和存储器配置系统，以及在特殊的网络基础设备中所用焊料中的铅，在2010年以前可以免除受这项规定的限制。按照欧洲委员会（European Commission）的意见，一项正在进行中的研究工作是对进一步免除进行评估，包括在现如今高性能PC中处理器封装中所采用的倒装芯片互连。这些器件中的许多是使用含铅量很高的C4（controlled collapse chip connection可控塌陷芯片连接）焊球。

　　Eu指令在限制确切危险的物质上面（例如铅），但允许在一些情况可免除关于铅的禁令，如取代铅在“技术上无法实行的，”但是能够满足这些类型的元器件的替代焊接工艺的信息是很难马上获得的。同样，指令的范围不是非常清晰的。举例来说，消费类电子产品中的铅被禁令所覆盖着，但是汽车电子却不是，如此看来汽车上的无线电该如何分类呢?

　　Eu的无铅化法规将对全球范围的电子行业产生影响，其中一部分是因为全球化的供应链，但是也是因为这项法规是一项基础法规，其它国家也推出了相似的法规。举例来说，我国推荐采用相似的法规来禁止同样的物质，最后期限也是设定在2006年7月1日。

　　现在，在迈向无铅化的道路上，为了能够满足倒装芯片和晶圆级封装、SMT以及波峰焊接的需要，要求对各种各样的材料和工艺方案进行研究。为了能够满足电路板上的倒装芯片和芯片规模封装技术，人们正在不断的探究合适的材料和工艺技术。

　　2、凸点的模板印刷

　　在凸点形成工艺中要求采用凸点下面的金属喷镀（under-bump metallization 简称UBM）技术，利用新型的焊接材料进行覆盖。该工艺过程是在焊料达到熔化温度上面~20OC发生回流以后进行的。随后进行清洗和最终的凸点检查。

　　为了实现无铅化，UBM要求采用新型的焊接材料，其实施可以通过镀镍工艺来实现。该晶圆经过一系列的化学电镀槽，实施加工处理。在利用锌酸盐进行表面活化以后进行清洗，沉积镍（5μm），沉浸一镀金层。该工艺技术己经由柏林技术大学（Technical University of Berlin）的合作伙伴Fraunhofer IZM公司研究开发出来了。对UBM的化学镀镍是一项己经成熟的技术，目前在全球范围内采用，可以达到很高的产量。

　　焊料的印刷要求采用微节距的印刷模板，焊膏的颗粒要适应于微节距的应用要求，并且要优化印刷参数。现在一些无铅化焊料己经由一些焊膏供应厂商生产出来了，其中包括SnAg3.5, SnAgBixx 和 SnCu0.9。可以替换铅锡共熔合金焊料的主要候选产品之一是Sn95.5Ag4Cu0.5，在与SnPb焊料的产量比较中，已经成功的通过了测试。橡胶清洁器的速度和模板印刷的擦抹要求，以及检测决定着产量的多少。采用常规厚度为80μm的模板，可以实现高度为110μm的凸点。

　　对于SnAgCu0.5来说，熔化的温度会有差异，将从183OC递增到217OC，反映到回流焊接炉的加热曲线将是从205OC递增到235OC。一般而言，回流焊接中的气氛保护采用氮，以确保将再氧化现象降低到最小的程度。

　　同样，为了能够确保高水平的过程控制，对具有凸点的晶圆必须利用自动化的光学检测设备进行检测。作为100%检测的替代方法，最近的研究成果表明，针对凸点的专用测试结构将有足够的能力确保高质量的凸点，同时又将检测所化的时间降低到最小的程度。因为对SnAgCu凸点进行光学检测会受到表面粗糙不平的影响（与先前所采用的SnPb焊料所形成的有光泽的表面相比较），所以这一步骤相当关键，需要予以认真仔细的关注。

　　在凸点工艺处理成本中，成本计算也是很重要的一方面，为了能够满足无铅化的应用需要，可采用SnAgCu00.5来替换SnPb，在大规模生产时可以令人满意达到低于$50/晶圆。

　　利用先进的微节距芯片规模封装（节距<0.5 mm）倒装芯片凸点的技术令人关注，使用焊料涂布方法成为一项可以替代现在流行的固体球体贴装的另外一种可行的方法。

　　3、可靠性问题的考虑

　　目前电子产品在全球范围内有着朝向无铅化方向发展的趋势，同样也需要大量的焊料来满足汽车方面的需要，选择合适的焊接设备对他们来说也是一个难题。其中之一是关于这些新设备它们在可靠性方面的表现会如何?因为SnAgCu与SnPb37相比较有着稍高的屈服应力和稍低的延展性，这两种焊料合金在疲劳寿命和失效机理方面所呈现的几乎差不多。在实际操作中，加热曲线和焊接点的几何形状在疲劳寿命中扮演着一个非常重要的角色，而不是合金的成分。对于化学镀UBM来说，有关资料证明SnPb37具有优良的剪切性能，对Sn95.5Ag3.8Cu0.7焊料凸点来说也是如此。此外，一般对安置在层压PCB上的任何一种倒装芯片来说，采用底部填充是为了能够确保可靠性而采取的一种措施。它可以释放来自于焊接点的大量应力，因此可以在人们所愿望的时间范围内延长其生命周期。

　　有两种回流工艺，一种回流工艺是为了使在晶圆上的焊球能够成形，另一种回流工艺是为了实现装配-一般用于倒装芯片工艺处理中。Ni3 Sn4是金属互化物，可以形成SnPb，同样也可以形成在化学镀镍UBM上的SnAgCu焊料。对于Sn95.5Ag3.8 Cu0.7来说，在经历了两次回流以后金属互化物形态是标准的和厚实的。在提高温度的情况下，固态成形阶段老化对倒装芯片应用来说是关系重大的；在150 和 170OC的时候，老化1000小时显示，对于SnPb来说镍消耗转变入Ni3Sn4<2μm，对于无铅化合金也是如此。消耗镍的厚度与共熔合金SnPb相比较，大约是Sn95.5Ag3.8Cu0.7的两倍。老化采用170OC而不是150OC的方法。

　　在150OC经历了2000 小时的高温储存以后，对焊料凸点进行剪力测试，结果表明：高于SnPb37所具有的剪切应力。此外，在经历了温度为85OC，湿度为85% RH的储存以后，以及在经历了热循环（-40 到150OC, 1000 次循环）以后对Sn95.5Ag4Cu0.5剪力测试的结果表明：略好于SnPb37。同样，有关资料表明在 -40 到125OC的热循环条件下对倒装芯片组件进行了测试，结果表明Sn95.5Ag3.8Cu0.7与SnPb37相比较，拥有更为长久的稳定性，而也有资料表明Sn95.5Ag4Cu0.5与传统的SnPb37在（循环 -55 to 125OC 和 -55 到150OC）的条件下相比较的结果表明：可靠性要低。对于此两种情形来说，底部填充材料的选择、助焊剂残余物的数量和实际结点的高度将决定着哪种接触类型更好。这就指出选择合金，对于产品的可靠性而言，仅是第二个要素。

　　含有丰富锡的焊料现在考虑应用在150OC的环境中。对于更高的温度来说，共熔合金金-锡（Au80Sn20）焊料或者填充银的粘合剂可以提供高于200OC的工作温度。

　　对于CSP的接触而言，通常不采用底部填充，无铅焊料所拥有的较大的物理弹性可以增加器件的寿命。然而，必须仔细的对待，因为失效方式可能会来自于疲劳破坏，导致在较厚的金属互化物面发生脆性破坏或者对来自于载体基片上的金属焊盘发生脱层现象，同样由柔软的SnPb蠕变对焊料凸点所产生的应力也不能释放，但是可转移到界面通道有弹性的无铅焊料上。

　　用于晶圆凸点的焊膏要求采用6型（5-15μm）焊膏，以确保与印刷焊料同质的体积，于是在回流以后可以减少凸点高度所产生的变化。

　　与在PCB组件上采用传统的SMT焊膏印刷相比较，特细间距（Ultrafine-pitch）焊膏所具有的微小颗粒尺寸意味着具有更高的粘性，它能够极大的影响印刷能力和从印刷模板上面将焊膏释放下来。扩大表面体积的分配数量，意味着增加焊料合金的可氧化性，于是在焊料中具有较高的氧化物含量。因此，要求采用相配匹的活化剂，在回流焊接工艺执行过程中需要采用氮气氛保护。

　　4、晶圆凸点的电镀

　　印刷模板现在受到最小节距范围在150-200μm的限制。为了能够增加超微细节距互连的密度和凸点尺寸的间隔，推荐采用电镀方法。在德国Fraunhofer IZM公司中所采用的电镀工艺可以将节距降低到40μm。有关半导体的国际半导体路线图（The International Semiconductor Roadmap for Semiconductors 简称ITRS）预言道，对于倒装芯片技术来说，凸点的节距将从2002年的160μm，降低到2010年的160μm，为了能够满足高I/O和大功率芯片的需要，到2016年将降低到70μm。

　　通过电镀工艺可以实现凸点高度的一致，误差在±1μm，这意味着比印刷模板印刷方式可以提供更为良好的一致性，这是因为印刷模板材料厚度和激光切割的精度有变化，同样在模板印刷的开始时少量的焊膏残余物会留下。这时，一般的变化会在±7μm的范围内。

　　电镀所造成的产量损失会是在ppm范围内或者说更少，它比起模板印刷的结果来要好得多，这取决于失效评判标准，例如：凸点高度的一致性。因此，对于价格昂贵、尺寸较大的IC器件来说，电镀可能是一项“低成本”的技术，对于这些芯片来说，因为产量的损失使得采用模板印刷变得没有竞争力。

　　UBM通过电镀在整个晶圆表面上均匀地溅射上一层Ti/W/Cu，通过平版印刷工艺对凸点焊盘进行了限定。通过电镀添加上一铜层，在回流工艺实施期间，它消耗了一部分焊料，热应力形成了金属互化物。通过基于甲磺酸的解决方案，焊料合金被实施电气化学的沉积。因为电镀工艺的加工时间取决于凸点的高度-与焊膏模板印刷相反-电镀受限于最小的凸点高度。在拆卸电镀防护膜以后，Ti/W/Cu UBM通过蚀刻工艺进行分离。晶圆上沉积的焊料通过回流形成球形的凸点，随后通过清洗步骤去除掉有机残余物。

　　在Fraunhofer IZM公司，己经实现几种无铅焊料的电镀，并开展了深入的研究工作。可以优先替换SnPb焊料的是SnAg3.5，它有着一些特殊的特性曲线需要进行考虑。由于高标准电极电位的差异，银比起锡来更容易沉积。于是，对于银离子来说需要非常强的络合剂，以抑制它们的优先沉积现象。

　　反之，Sn-Pb二元相图显示在焊锡配方中的小误差不会严重影响到熔化点，这种情况对Sn-Ag来说是非常关键的。甚至说在具有3.5%银的共熔合金配方中只增加小量的银，也会导致共熔点的较大增高。此外，Fraunhofer IZM公司的研究表明，4%的银含量和Ag3Sn金属互化物较大浴盒曲线的较高增长，会导致互连可靠性的一系列问题。就电镀来说，对浴盒曲线和合金配方进行非常严格的控制是非常重要的，这样可以满足共熔合金SnAg3.5电镀的需要。对于电镀而言，三元合金甚至要求更加严格的过程控制，所以不予考虑。从另外一方面来说，由于SnAg中对UBM的镀铜会分解掉部分的，回流凸点至少会包含有SnAgCu，它会影响到回流焊接的温度。

　　SnAg与SnPb相比较，镀铜基础的消耗量会增加。因此，电镀适当厚度的铜必须为前提条件。关于实施工艺的成本，在SnPb 和 SnAg的电镀中没有很显著的差别。

　　5、结束语

　　为了能够实现无铅化的替代产品，可以通过模板印刷和电镀晶圆凸点工艺来满足先进互连技术的需要，这也反映了可靠的无铅技术是可以获得的。不过，为了能够符合2006年的最后期限，对这些工艺技术进行改善的有效时间实在太短了，无铅化材料和组件的提供依然是一个关键的问题。

　　来源：宏力捷