晶圓級封裝Bump制造工藝關(guān)鍵點解析

射頻前端(RFFE，Radio Frequency Front-End)模組國內(nèi)外手機終端中廣泛應(yīng)用。它將功率放大器(PA，Power Amplifier)、開關(guān)(Switch)、低噪聲放大器LNA(Low Noise Amplifier)、濾波器(Filter)、無源器件等集成為一個模組，從而提高性能，并減小封裝體積。然而，受限于國外專利以及設(shè)計水平等因素，國產(chǎn)濾波器的份額相當(dāng)?shù)?。在模塊集成化的趨勢下，國內(nèi)射頻巨頭在布局和生產(chǎn)濾波器。聲學(xué)濾波器可分為聲表面濾波器和體聲波濾波器，其中聲表面濾波器可根據(jù)適用的頻率細分為SAW、TC-SAW和IHP-SAW。體聲波濾波器適用于較高的頻段，可細分為BAW、FBAR、XBAR等。無論是SAW(Surface Acoustic Wave filter)還是BAW(Bulk Acoustic Wave Filter)，均是在晶圓級封測后以倒裝芯片的工藝貼裝在模組上。在晶圓級封裝工藝中，Bump制造是相當(dāng)重要的一道工序，因此本文將淺談濾波器晶圓級封裝(Wafer Level package)中Bump制造的關(guān)鍵點。

當(dāng)前業(yè)內(nèi)常見的幾種SAW filter Wafer Bumping工藝如下：

1. 通過打線工藝在晶圓的UBM(Under Bump Metal)上植金球。

2. 通過鋼網(wǎng)印刷工藝在UBM上印刷錫膏，再經(jīng)過回流焊成球。

3. 先在晶圓的UBM上印刷助焊劑，將錫球放到UBM上，再經(jīng)過回流焊完成植球。

本文重點介紹第二種工藝。通過對印刷錫膏方案的剖析發(fā)現(xiàn)，在Bumping工藝中Bump的高度和共面度(同一顆芯片上Bump高度最大值最小值之差，差值越低越好)是最重要的關(guān)鍵指標(如圖1.1、圖1.2)。下面從鋼網(wǎng)的工藝和設(shè)計、錫膏的特性等方面進行分析。

圖1.1 球高

圖1.2 共面度

鋼網(wǎng)印刷

鋼網(wǎng)印刷的目的是使錫膏材料通過特定的圖案孔沉積到正確的位置上。首先，將錫膏放到鋼網(wǎng)上，再用刮刀使其通過鋼網(wǎng)開孔沉積到焊盤上。鋼網(wǎng)與晶圓之間的距離(印刷間隙)、印刷角度、壓力、速度和膏體的流變特性是確保錫膏印刷的關(guān)鍵參數(shù)。一旦鋼網(wǎng)開孔被膏體填滿，脫模后膏體留在每個焊盤上，沉積在焊盤上的體積取決于鋼網(wǎng)的孔距和孔壁的質(zhì)量、焊盤的表面特性和膏體的流變性能。

鋼網(wǎng)的加工工藝與開孔設(shè)計

鋼網(wǎng)孔壁質(zhì)量、尺寸一致性、定位精度和鋼網(wǎng)生產(chǎn)成本是鋼網(wǎng)生產(chǎn)工藝的選擇標準?？紤]到帶有Bump的濾波器是以倒裝芯片的工藝應(yīng)用在前端射頻模組里，其特點是Bump的尺寸小(bump高度在50~100μm之間)、間距小、對Bump高度的一致性要求高(共面度在10μm以內(nèi))。為了滿足以上要求，業(yè)內(nèi)最常選用的是納米涂層鋼網(wǎng)和電鑄鋼網(wǎng)。

納米涂層鋼網(wǎng)的工藝是：在激光切割的基礎(chǔ)上對鋼網(wǎng)進行清洗，然后在鋼網(wǎng)內(nèi)壁進行打磨拋光以降低粗糙度，最后涂覆納米涂層。納米涂層使接觸角顯著增加，從而降低鋼網(wǎng)材料的表面能，有利于錫膏脫模。

Source: Laser Job

電鑄鋼網(wǎng)的制作方法是：先在導(dǎo)電基板上用光刻技術(shù)制備模板，然后在阻膠膜周圍進行直流電鑄，最后從光刻膠孔上剝離。電鑄鋼網(wǎng)的質(zhì)量和印刷性能取決于光刻膠的靈敏度、所用光刻工具的類型、導(dǎo)電基材的光學(xué)性能和電鑄工藝。電鑄鋼網(wǎng)的開孔內(nèi)壁非常光滑(如圖3所示)，其印刷脫模的表現(xiàn)也最好最穩(wěn)定。

圖3 電鑄鋼網(wǎng)孔壁

Source: Bon Mark

小結(jié)，納米涂層鋼網(wǎng)的印刷表現(xiàn)略遜于電鑄鋼網(wǎng)，其涂層在批量生產(chǎn)一段時間后可能會脫落，但是納米涂層鋼網(wǎng)的價格遠低于電鑄鋼網(wǎng);電鑄鋼網(wǎng)的側(cè)壁非常光滑，其印刷表現(xiàn)最好，是超細間距應(yīng)用的最佳選擇，但電鑄鋼網(wǎng)的價格相當(dāng)昂貴。鋼網(wǎng)的選擇取決于客戶對產(chǎn)品特性和成本的綜合考量。

開孔面積比

由于CTE不匹配會影響封裝的可靠性，符合高度要求的Bump在這方面會起到積極的作用。這就要求鋼網(wǎng)印刷過程可靠地沉積穩(wěn)定的錫膏量，以產(chǎn)生堅固的互連。錫膏從鋼網(wǎng)孔的釋放是由錫膏在鋼網(wǎng)孔側(cè)壁和晶圓焊盤之間的相互作用決定的。據(jù)文獻記載，為了從鋼網(wǎng)印刷中獲得良好的膏體釋放效率，模板開孔面積比 [開孔面積比=開口面積/孔壁面積] 應(yīng)大于0.66。該比率限制了給定孔徑大小的模板厚度，并要求使用更薄的模板來印刷更細的間距。隨著鋼網(wǎng)制作工藝的提升，鋼網(wǎng)開孔的面積比可以適當(dāng)降低，如下圖4所示。

圖4 鋼網(wǎng)開孔規(guī)則

錫膏

錫膏是由焊粉和助焊劑均勻混合而成的膏體，其中錫球的形狀、顆粒大小、尺寸分布、氧化程度以及助焊劑載體的流變性能和配方體系，都對錫膏的印刷和回流性能起著重要作用。細間距印刷用的焊粉一直是賀利氏電子的優(yōu)勢，因為Welco? technology(一種在油介質(zhì)中分散熔融合金的制造技術(shù))利用兩種不同介質(zhì)的表面張力存在差異的原理，用工藝配方控制粉末尺寸范圍，摒棄了傳統(tǒng)的網(wǎng)篩工序，避免了粉末顆粒因網(wǎng)篩而導(dǎo)致的形變(表面積變大)。再者，粉末在油介質(zhì)中得到充分保護，減少了粉末表面的氧化。Welco?焊粉搭配賀利氏獨特的助焊劑配方體系，使印刷錫膏的轉(zhuǎn)化率能夠得到保證。

圖5 Welco 焊粉 SEM 圖片

當(dāng)前市場上SAW/BAW濾波器的應(yīng)用中常見的Bump高度為50-100μm，結(jié)合單個芯片的layout，即相鄰bump的最小間距，以及相鄰芯片的bump的最小間距，6號粉和7號粉錫膏是匹配的選擇。粒徑的定義是基于IPC的標準(如圖6)，即6號粉有80%的焊粉粒徑分布在5-15μm的區(qū)間。

圖6 IPC粒徑規(guī)格

選擇合適粒徑的錫膏非常重要，助焊劑體系的選擇也是非常關(guān)鍵。因為一些SAW 的IDT 位置是裸露的，焊錫膏或助焊劑的飛濺都有可能影響IDT 的信號和聲波之間的轉(zhuǎn)換。對此，賀利氏開發(fā)的AP5112和AP520系列產(chǎn)品在開發(fā)時均在飛濺方面做了深入的研究，從而盡可能避免飛濺問題。Bump 中空洞的表現(xiàn)也是非常重要的質(zhì)量指標，尤其是在模組中經(jīng)過多次回流焊之后。

案例分享

應(yīng)用：SAW filter

6 inch 鉭酸鋰晶圓(印刷測試以銅板代替鉭酸鋰晶圓)

Bump 高度=72±8μm;共面度<10μm

鋼網(wǎng)開孔尺寸：130*140*50μm

錫膏：AP5112 SAC305 T6

圖7 印刷后

印刷穩(wěn)定性是影響bump高度一致性的關(guān)鍵因素。印刷窗口的定義通常受印刷設(shè)備的能力、鋼網(wǎng)的加工工藝、產(chǎn)品設(shè)計等因素的影響，通常通過實驗驗證獲得。如圖7所示，6號粉錫膏的連續(xù)印刷表現(xiàn)優(yōu)異，沒有發(fā)現(xiàn)連錫和大小點的問題。Bump的高度數(shù)據(jù)能夠更好地說明。

在回流焊過程中，已印刷在UBM區(qū)域的錫膏逐步熔化，助焊劑流至焊錫四周，而焊料熔化后回流到UBM上并在界面之間形成金屬間化合物(Intermetallic layer)，冷卻后形成一定高度的Bump。Bump的平均高度非?？拷繕酥?，且標準差相對較小，如圖8、圖9所示。

圖8 Bump高度數(shù)據(jù)

圖9 Bump高度標準差

Bump 高度的指標非常關(guān)鍵，Bump中的空洞也至關(guān)重要。在SAW filter上面的結(jié)果顯示，賀利氏的6號粉和7號粉具有良好的表現(xiàn)，如圖10所示。

圖10 Bump void 數(shù)據(jù)

晶圓級封裝最終會以芯片級應(yīng)用到系統(tǒng)封裝，即以倒裝芯片的工藝集成到模組里。在此過程中會經(jīng)歷多次回流焊工藝，那么回流焊之后bump內(nèi)部的空洞會發(fā)生怎樣的變化?對此，我們測試了3次回流焊之后bump內(nèi)部空洞的變化，結(jié)果如圖11所示。

圖11 多次回流焊后空洞變化的數(shù)據(jù)

賀利氏的6號和7號粉錫膏對應(yīng)的Bump，在經(jīng)過3次回流焊之后仍然能夠保持在比較好的水平。

總結(jié)，本文簡單闡述了晶圓級封裝的關(guān)鍵技術(shù)點。賀利氏Welco焊粉和獨有的助焊劑配方體系能夠匹配SAW、BAW 等濾波器的晶圓封裝需求。更深層次的技術(shù)細節(jié)，如Bump高度的設(shè)計和球高與錫膏量的關(guān)系，敬請期待下一篇文章。不論是晶圓級封裝還是先進封裝賀利氏都能提供成熟的解決方案。