本文介绍，紫外激光已经证明在无数的工艺方面都是有用的工具。现在，用于密间距应用的高级聚合模板为紫外激光提供一个新的领域。

　　满足在通信、医疗技术或汽车工程中的移动、高性能系统的要求，只有使用那些提供非常高度小型化的封装技术才是有可能的。基于这个理由，先进的集成电路(IC)封装将成为印刷电路板装配的主流，因为面积排列(area-array)封装是基于芯片焊盘与PCB之间的直接接触。

　　虽然有关中间封装发展有稍微不同的预测，但是可以肯定，倒装芯片(flip chip)、板上倒装芯片(FCOB, flip chip on board)、BGA(ball grid array)和CSP(chip scale packaging)将在向下一代IC封装的转移中起主要作用。例如一个预测说，倒装芯片的使用量将在今后几年中每年增长在200-400%之间(图一)^1,2。

图一、倒装芯片封装应用的世界范围内的增长前景

“植球”的出现 Emergence of "Bumping"

　　除了一个较小的形状因素之外，先进封装的主要优点是更大的输入/输出(I/O)，和以更多的焊盘通向不断减小的引脚/焊盘间距实现的更大的功能密度。这个趋势要求来自互连技术的更大努力。第一个成功应用的先进封装方法通过蒸发锡球将倒装芯片的接合焊盘连接到基板。今天，大多数的基于倒装芯片的封装依靠一种植球(bumping)技术。从接合焊盘到基板的接触是通过一个锡球来实现的 - 即所谓的bump - 它补偿由于机械和温度应力所形成的压力。

图二、通过Ni UBM制造的锡球的示意图

　　植球技术的一般要求包括与现有晶圆技术的兼容性、高合格率、高度工艺稳定性和低成本。这些目标可以通过一种无电镀(electroless)球底镍金属喷镀(Ni UBM, nickel-under-bump metallization)，接着模板印刷焊锡的方法来实现。这种锡球的主要结构如图二所示。被薄薄一层金涂层覆盖的一层镍用化学方法沉淀在铝质接合焊盘上。这个球底镍金属喷镀(Ni UBM)是作为一个黏附层和铝与焊锡之间的扩散屏障。金要求用来在焊锡应用之前保护镍不被氧化。然后焊接通过模板印刷锡膏和随后的回流来达到。最后，将晶圆(wafer)清洁去掉助焊剂残留(图三)。³

图三、植球工艺步骤，在施用焊锡之前要求镀金来保护金不被氧化

传统方法是不适合的

　　在半导体晶圆上的锡球植球应用对于倒装芯片技术的成功和经济的使用占主导地位。另外，通过锡膏印刷的晶圆植球斤结合了现有PCB技术的高度兼容性和显著的低成本(大部分是通过一个对工艺基础已经深入的理解来实现的)。其挑战是要将该技术发展，以适合一个250µm或以下的适当间距的倒装芯片规模生产。

　　传统的印刷方法和材料是不适合有超密间距(ultra-fine-pitch)结构特征的应用。因此，达到可再生产与单一的焊锡沉淀要求锡膏物理特性的改进。为超密间距应用使用焊锡印刷，具有非常细小的颗粒尺寸的锡膏要求氮气气氛和良好控制的回流焊接炉的温度曲线。

　　模板印刷工艺有许多的变量。下列的因素必须考虑，以取得高品质、可再生产的超密间距的印刷：

• 基本设备 - 印刷机、晶圆夹具
• 模板 - 开孔质量、孔壁光洁度、厚度、尺寸、几何形状
• 机器设定 - 印刷速度、压力、分离速度、对准
• 刮刀 - 刮刀、硬度、角度
• 锡膏 - 颗粒大小、分布状态、粘性、触变性、助焊剂载体、塌落特性、金属含量
• 环境 - 温度、湿度、灰尘
• 操作员 - 训练、感悟性

锡膏的发展

　　再最近几年，密间距印刷工具和工艺已经得到改进。人们的努力主要集中再焊接材料上面，特别是锡膏。因为锡膏的颗粒尺寸再倒装芯片应用中是重要的，一些供应商开发具有颗粒均匀分布和尺寸小于25µm的材料。

　　沉淀的焊锡量和高度决定于使用的模板的厚度和开孔尺寸，和刮刀的材料。在印刷之后，锡球在氮气环境下的对流炉中回流。印刷的锡膏量决定回流的锡球的高度和直径。

图四、植球工艺步骤的显微图：a)接合焊盘的初始状态，b)有Ni/Au UBM，
c)印有锡膏，d)在焊锡回流之后

　　图四中显示在不同的工艺步骤之后的焊盘的电子显微镜图片。对于一个锡球的锡膏量的稳定性(它主要影响合格率)主要决定于模板的品质。这类似于PCB制造中的锡膏印刷工艺，几乎64%的不合格率与印刷缺陷有关⁴。可是，甚至用激光切割的不锈钢模板技术，印刷的可靠性都是不能保证的。对于这个非常特别的晶圆植球技术，改进和调整是必要的。下面描述一种新的技术，一种适合于锡膏印刷的激光切割聚合模板的生产是要应用于密间距应用。

试验

　　试验集中在锡膏印刷工艺的主要因素。包括模板材料、切割模板的激光、印刷设备和锡膏。

　　基板必须满足几个标准，以完成工艺要求。它必须合乎工业要求，具有恒定的材料厚度、良好的电气、温度和机械参数，并适合于金属喷镀和激光结构(但不会从切割中受损)。

　　聚酰亚胺薄膜Kapton*是一种适合于这些应用的材料。这种高性能材料提供良好的尺寸稳定性和与大多数黏附系统的粘着性。它的机械参数对于模板的准备工序是重要的。该薄膜以一定的张力在框架上展开。聚酰亚胺的良好的物理与温度特性一般提供模板的布局不偏离原始位置，甚至在生产条件之下(表一)。

　　金属涂层的稳定性是另一个重要标准。在一个干燥工艺之后(75µm厚度要求270°F，8小时)，给薄膜提供一层非常薄的20nm的铬层。这种预处理防止在印刷工艺期间的静电放电。喷镀和真气沉淀两种技术都是适用的。剥落强度(>15N/cm)是在电镀铜达到35µm (0.0014")之后测量的。在270°F的可靠性测试(1,000 h)显示在100小时的时候剥落强度下降25%，从此保持常数。在85°C/85%RH试验期间注意到相同的现象。

　　生产模板的激光设备包含一个激光源和一个定位单元。光源产生一个高度集中的光，其光束适合于切割聚合薄膜，它是通过适用定位单元将薄膜居中于聚焦的激光束之下，来切出开口。系统的原理如图五所示。

图五、激光系统原理图：1)光学观察，2)锁定开关，3)切割头，4)夹紧框
5)X-Y定位单元，6)花岗岩底座，7)运输眼，8)气动盒，9)压缩空气引入，10)激光源

　　激光源是一个基于与光学模块结合的Q交换Nd-YAG激光的一个固态紫外(UV)单元。随着激光的频率提高三倍，波长从红外(1,064nm)变到UV。该激光以20kHz的2.5W最大功率工作在335nm。

　　定位系统是在一个大质量花岗岩底座上的一个空气轴承精密X-Y工作台。两条轴都是用空气轴承沿在高度抛光表面上的花岗岩导轨导向的。基板通过一个又一个夹紧框架固定到工作台上。伺服马达驱动的定位单元将薄膜移到激光聚焦点，各个定位坐标是从PC送到一个控制系统，控制十字台以及激光。表二列出该系统的参数。

　　印刷设备对于晶圆从料盒到印刷机、然后到料盒或炉的传送带的自动处理是必须的。为了保证这个复杂的印刷工艺，使用了自动模板清洗、2.5-D检查和一个视觉系统(图6a、6b)。

图六、激光切割聚合模板(上)和不锈钢板的显微图。注意在薄膜材料中没有熔化痕迹

　　锡膏，专门针对超密间距而开发的，含有极细的粉末(63Sn/37Pb类型6)。典型的值是10%低于7µm、50%低于11µm和90%低于16µm，通过激光粒度测定方法来决定。表三列出印刷参数。

结果与讨论

　　试验在具有基准布局的8"晶圆上进行。最后的应用是具有超过20,000个输入输出(I/O)的一个晶圆。在该晶圆上有两种不同类型的IC：一种布局是250µm间距，它要求125µm的锡球高度；另一种是200µm的间距，要求100µm的锡球高度。模板厚度是75µm，其开孔是250x170µm和180x130µm。

　　聚合材料的激光切割在试验期间通过光学的评估。它显示，为了决定功率、频率和切割速度的最佳选择，深入的试验是必要的。这三个参数都影响基板上的能量密度。如果功率密度太小，切割将不会充分地切割穿整个材料。如果功率密度太高(>500 mJ/cm²)，可能造成基板材料的损伤。切割一种75µm厚度的聚酰亚胺薄膜的参数的最佳结合在表四中给出。

　　图六比较一种金属模板和一种聚合模板，使用上述参数切割出来的。在聚酰亚胺材料中没有熔化轨迹，显示出UV激光在塑料中的所谓的“冷切割”。由UV激光的高质子能量产生的切割是一种光化学过程，在此期间，聚酰亚胺的长碳链分裂，留下尖锐的未熔化的边。

　　开孔内壁的测量显示大约50%的粗糙度减少。另一个正面的结果是在基板的背面(激光出来)没有相位，这在金属模板上切割孔时外观上通常可以看到。这两个特性重要地影响锡膏释放。较低的粗糙度使得从每个孔更快更彻底地释放锡膏。每个孔的锐边(在激光出来时没有一个角度)造成锡膏体积的一个尖锐的轮廓。将印刷速度增加到大于每秒70mm(高于传统模板的五倍)是可能的，而且同时提供一个不变的锡球几何形状。对于一个晶圆锡球模板的典型的印刷结果在图7a和7b中显示。

图7a和7b、聚合模板(250µm@200µm间距)与不锈钢模板(200µm间距)的印刷结果

　　最小50µm的直径和1:1.6的纵横比代表使用聚合模板的锡膏印刷工艺的实际界限。一般，这些限制不切实际的，但是超过每秒50个零件的平均印刷缺陷率使得该技术用于晶圆植球是不经济的。

　　进行中的试验显示，锡膏对印刷工艺有重要的影响。助焊剂特别显示与聚合基板的一种反应 - 即使是聚酰亚胺具有良好的抗化学特性。含有水溶性助焊剂的锡膏显示出对聚酰亚胺有可觉察的作用(已通过FTIR频谱分析证明)。水溶性助焊剂与超细焊锡粒度的结合是锡膏的释放恶化。为了覆盖这些结果，进一步的研究正在进行中。

结论

　　聚合薄膜可以用UV激光非常精确地切割。可以实现完整圆度的小至50µm的孔。这一精密技术结合聚合基板的优点(如减小内孔壁的粗糙度)，使得聚合模板成为密间距应用的适当工具。

　　虽然必须非常精密地完成，在无电镀Ni/Au UBM上通过模板锡膏印刷的晶圆植球是一个常见的技术。低成本模板印刷工艺的优点，结合聚合模板的优点，使得这个技术成为具有高产量的低成本晶圆植球工艺的推荐技术。

* Kapton is a registered trademark of DuPont.

Acknowledgement
The German Federal Ministry of Education and Research (BMBF) is acknowledged for enabling the research project, Ökobump, on the described technology, to proceed. Also thanked are the other project partners, especially EKEA GmbH Bönnigheim, Heraeus GmbH Hanau, IZM Berlin and OKM Messtechnik GmbH Jena.

References
1. Advanced IC Packaging Markets and Trends, Electronic Trand Publications, San Jose, CA 1999.
2. R. Kuracina, Flip Chip Packaging for the Year 2000, IBM Microelectronics, Endicott, NY.
3. K. Heinricht, J. Kloeser, L. Lauter, A. Ostmann, A. Wolter, H. Reichl, "Quality and Yield of Ultra-Fine-Pitch Stencil Printing for Flip Chip Assembly," Eupac 1998, Germany.
4. J. Kickelhain, Mikroschneiden von SMD: Schablonen für den Lotpastendruck, LEF 2000, Germany.

　　Nils Heininger may be contacted through Suzanne Seco, marketing coordinator at LPKF Laser & Electronics, 28229 S.W. Boberg Rd., Wilsonville, OR 97070; (503) 454-4200; Fax: (503) 682-7151; Web site: www.lpkf.de. 

(Aaron 09/15/2001)