晶圆级封装用什么类型的焊料和焊后残留物清洗介绍

 一、晶圆级封装常用焊料类型

在晶圆级封装中，常用的焊料类型有多种。传统的钎焊料中，锡铅共晶钎料合金曾是最主要的类型，它具有成本低、强度高、工艺性能好等性质。然而，由于铅及铅的化合物有毒性，对环境和人体危害极大，目前国际标准要求不得含有铅、汞等有毒有害物质，所以无铅焊料成为发展趋势。 目前主要的无铅焊料以Sn（锡）为主，添加能产生低温共晶的Ag（银）、Zn（锌）、Cu（铜）、Sb（锑）、Bi（铋）、In（铟）等元素，主要集中在Sn - Zn、Sn - In、Sn - Bi、Sn - Sb、Sn - Cu、Sn - Ag等体系。这些焊料体系各自具有不同的特性，例如：

·         Sn - Ag系焊料：具有较好的机械性能，包括较高的剪切强度等，在一些对焊点可靠性要求较高的晶圆级封装应用中较为适用。它的熔点相对合适，并且与基板之间能形成较好的连接。

·         Sn - Cu系焊料：成本相对较低，同时也能提供较好的焊接性能，在一些对成本较为敏感的晶圆级封装生产中可能会被选用。

二、晶圆级封装适用的焊料特点

（一）良好的润湿性

1. 润湿性的概念 润湿性是指当两种非混相流体同时呈现于固相介质表面时，某一流体相优先润湿固体表面的能力。从物理角度分析，焊料润湿包括焊料的熔化、表面张力的不平衡、焊料扩散、基板材料熔化、金属间化合物的生成、以及由于温度梯度和浓度不均匀的Marangoni效应等过程。在晶圆级封装中，焊料需要良好地润湿芯片和基板表面，以确保形成可靠的连接。

2. 影响润湿性的因素及对晶圆级封装的意义

o    焊料与钎焊金属成分：如果焊料与钎焊金属成分相互作用不佳会导致润湿性差，对于这种情况，可加入能与钎焊金属形成共同相的第三物质来改善润湿性。在晶圆级封装中，不同的芯片和基板材料需要与之相匹配的焊料成分，以保证良好的润湿效果。例如，如果芯片的金属层是某种特殊合金，就需要选择能与该合金有良好相互作用的焊料成分。

o    温度：液体表面张力F与温度T呈特定关系，随着温度的升高，液体焊料与焊料金属界面张力降低，这有助于提高焊料的润湿性。但并非加热温度越高越好，过高的温度会造成焊料的流失，即流散到不需要钎焊的地方，还会引起钎焊金属晶粒长大、溶蚀等现象。所以在晶圆级封装过程中，需要选择合适的钎焊温度，既能保证焊料有良好的润湿性，又不会产生不良影响。

o    焊剂：钎焊金属表面氧化膜的存在会使液态焊料不能润湿它们。使用焊机可以清除焊料和钎焊金属的表面氧化膜，改善润湿。焊机的作用除能清除表面氧化物使固态 - 液态界面上的界面张力减小外，还能减小液态焊料的表面张力。在晶圆级封装中，合适的焊剂使用对于确保焊料的润湿性至关重要。

o    环境气氛：环境气氛也可以改变焊料的润湿性能。例如某些焊料在回流炉中使用氮气保护气氛相较于空气中回流，可改善焊料的润湿性能，真空环境也可改善润湿。在晶圆级封装的生产环境中，对环境气氛的控制有助于提高焊料的润湿效果，进而提高封装质量。

（二）合适的物理性能

1. 导电率

o    在晶圆级封装中，焊料的导电率直接影响着芯片与基板之间的电信号传输。如果导电率低，会导致信号传输延迟、衰减等问题。例如在高速信号传输的电路中，如5G通信相关的芯片封装，需要使用导电率高的焊料，以确保信号能够快速、准确地传输。

2. 热膨胀系数

o    芯片和基板在不同的工作温度下会发生热胀冷缩。如果焊料的热膨胀系数与芯片和基板不匹配，在温度变化时，就会在焊点处产生应力。长期的热循环可能导致焊点开裂，从而影响封装的可靠性。例如在一些高温工作环境下的芯片，如汽车发动机控制芯片的晶圆级封装，就需要选择热膨胀系数与芯片和基板相匹配的焊料。

（三）良好的抗氧化和抗辐射性能

1. 抗氧化性能

o    在晶圆级封装过程中以及封装后的使用过程中，焊料可能会接触到氧气。如果焊料抗氧化性能差，表面会被氧化，形成氧化层会影响焊料的性能，如降低润湿性和导电性等。例如在一些长期暴露在空气中的电子设备，如户外传感器芯片的晶圆级封装，需要抗氧化性能好的焊料，以保证封装的长期稳定性。

2. 抗辐射性能

o    在一些特殊应用场景下，如航空航天、核能相关的芯片晶圆级封装，芯片可能会受到辐射的影响。抗辐射性能好的焊料能够在辐射环境下保持其性能稳定，不会因为辐射而发生性能劣化，从而保证芯片封装后的正常工作。

（四）加工成型性好与可焊接性能好

1. 加工成型性

o    在晶圆级封装中，焊料可能需要被加工成特定的形状，如凸点等形式。良好的加工成型性意味着焊料能够容易地被制成所需的形状，并且在加工过程中不会出现裂纹、变形等缺陷。例如在制作微小的焊料凸点时，需要焊料能够精确地成型，以满足晶圆级封装的高精度要求。

2. 可焊接性能

o    可焊接性能好的焊料能够在适当的焊接工艺条件下，与芯片和基板牢固地焊接在一起。这包括在不同的焊接方法（如回流焊等）下都能表现出良好的焊接效果。如果可焊接性能差，可能会出现虚焊、漏焊等问题，严重影响晶圆级封装的质量。

（五）良好的力学性能

1. 剪切强度

o    焊点的剪切强度是衡量焊点在受到剪切力时抵抗破坏的能力。在晶圆级封装中，芯片在使用过程中可能会受到各种外力的作用，如在便携式电子设备受到碰撞、振动时。足够的剪切强度能够保证焊点不会轻易断裂，维持芯片与基板之间的连接。

2. 蠕变抗力

o    蠕变是指在一定温度和应力作用下，材料缓慢地发生塑性变形的现象。在长时间的工作过程中，特别是在高温环境下，焊料如果蠕变抗力差，焊点会发生变形，从而影响芯片与基板之间的连接可靠性。例如在一些高温且长时间工作的工业控制芯片的晶圆级封装中，需要蠕变抗力好的焊料。

3. 等温疲劳抗拉力

o    在芯片的工作过程中，可能会经历多次的温度循环和应力变化，这就要求焊料具有良好的等温疲劳抗拉力。如果焊料的等温疲劳抗拉力不足，经过多次的温度和应力循环后，焊点会出现疲劳裂纹，最终导致连接失效。

三、晶圆级封装焊料的选择因素

（一）封装类型的要求

1. 扇入型和扇出型晶圆级芯片封装（Fan - In/Fan - Out      WLCSP）

o    在扇入型晶圆级芯片封装中，由于封装尺寸相对较小，对焊料的精度要求较高。需要选择能够精确成型、在小尺寸下仍能保证良好连接性能的焊料。例如，一些具有良好加工成型性的焊料，能够制成微小的焊料凸点，满足扇入型封装的需求。

o    扇出型晶圆级芯片封装可能会涉及到更多的信号传输线路和更复杂的电路布局，对焊料的导电率、热膨胀系数等物理性能要求更为严格。需要选择能适应复杂电路环境，保证信号传输质量和热稳定性的焊料。

2. 重新分配层（RDL）封装、倒片（Flip Chip）封装及硅通孔（TSV）封装

o    在重新分配层封装中，焊料需要与重新分配层的金属材料有良好的兼容性。因为重新分配层在芯片的信号重新布局和连接中起着关键作用，焊料与该层金属的良好结合能够确保信号的准确传输。

o    倒片封装中，芯片是倒扣在基板上进行焊接的，这种封装方式对焊料的润湿性和力学性能要求较高。良好的润湿性能够确保芯片与基板之间的全面接触，足够的力学性能（如剪切强度等）可以保证在倒扣的情况下焊点能够承受芯片的重量和可能受到的外力。

o    硅通孔封装涉及到芯片内部的垂直连接，对焊料的填充性能有要求。焊料需要能够充分填充硅通孔，并且在填充过程中不会产生孔洞等缺陷，以保证垂直方向的电连接和机械稳定性。

（二）成本因素

1. 原材料成本

o    不同的焊料体系其原材料成本有很大差异。例如，Sn - Cu系焊料成本相对较低，因为铜的价格相对较为便宜。在一些对成本比较敏感的晶圆级封装生产中，如果对焊料的性能要求不是非常高，可能会优先考虑使用Sn - Cu系焊料。而像Sn - Ag系焊料，由于银的价格较高，会使焊料的原材料成本上升，在大规模生产中可能会增加生产成本。

2. 加工成本

o    有些焊料可能需要特殊的加工工艺，这会增加加工成本。例如，某些高熔点的焊料在焊接过程中需要更高的温度和更长的加工时间，这会消耗更多的能源，增加加工成本。而一些容易加工成型的焊料，如具有良好的流变性的焊料，在加工过程中可以更快速地制成所需的形状，减少加工时间和成本。

（三）与其他材料的兼容性

1. 与芯片材料的兼容性

o    芯片可能由多种材料构成，如硅、金属层（如铝、铜等）等。焊料需要与芯片的这些材料有良好的兼容性。例如，如果芯片的金属层是铝，就需要选择不会与铝发生过度化学反应，并且能够良好润湿铝表面的焊料。如果兼容性不好，可能会导致焊点的可靠性降低，甚至出现腐蚀等问题。

2. 与基板材料的兼容性

o    基板材料也有多种类型，如陶瓷基板、有机基板等。不同的基板材料对焊料的要求不同。例如，陶瓷基板具有较高的热导率和稳定性，与陶瓷基板兼容的焊料需要能够适应其表面特性，并且在热膨胀系数等方面与之匹配。有机基板则可能对焊料的润湿性和化学稳定性有特殊要求，以防止在使用过程中出现分层等问题。

（四）环境要求

1. 工作温度范围

o    如果芯片工作在高温环境下，如汽车发动机控制芯片，就需要选择能够在高温下保持性能稳定的焊料。这种焊料需要具有较高的熔点、良好的热稳定性和蠕变抗力等性能。相反，如果是在低温环境下工作的芯片，如一些极地环境监测设备中的芯片，焊料需要能够在低温下保持良好的韧性和导电性，防止在低温下出现脆化等问题。

2. 环境气氛

o    在一些特殊的环境气氛中，如潮湿、腐蚀性气体环境下，需要选择具有良好耐腐蚀性能的焊料。例如在海洋环境监测设备中的芯片晶圆级封装，焊料需要能够抵抗海水蒸发产生的潮湿和盐雾腐蚀。在一些可能存在化学污染的环境下，焊料也需要具备相应的化学稳定性。

四、晶圆级封装中优质焊料推荐

在晶圆级封装中，Sn - Ag - Cu（SAC）系焊料是一种较为优质的焊料。

1. 性能优势

o    良好的力学性能：SAC系焊料具有较高的剪切强度，能够在芯片受到外力时保证焊点的连接可靠性。其蠕变抗力也相对较好，在长时间的工作过程中，特别是在高温环境下，能够有效抵抗焊点的变形。例如在一些高性能计算机芯片的晶圆级封装中，芯片在高速运算过程中会产生热量并且可能受到机箱内部轻微的振动，SAC系焊料的良好力学性能可以确保芯片与基板之间的稳定连接。

o    润湿性较好：SAC系焊料对常见的芯片和基板材料具有较好的润湿性。它能够在适当的焊接温度下，在芯片和基板表面很好地铺展，形成均匀的焊点。这有助于减少虚焊等焊接缺陷的出现。

o    合适的物理性能：在导电率方面，SAC系焊料能够满足芯片与基板之间的电信号传输要求。其热膨胀系数也能与多种芯片和基板材料较好地匹配，减少在温度变化时焊点处的应力产生。例如在智能手机芯片的晶圆级封装中，SAC系焊料可以适应手机在不同使用环境下的温度变化，保证芯片的正常工作。

o    抗氧化和抗辐射性能：SAC系焊料具有一定的抗氧化性能，在封装后的使用过程中，能够抵抗氧气的侵蚀，保持焊点的性能稳定。在一些特殊应用场景下，如航空航天领域的芯片晶圆级封装，虽然其抗辐射性能不是非常突出，但也能满足一定程度的抗辐射要求，并且可以通过其他防护措施与之配合来确保芯片在辐射环境下的正常工作。

2. 广泛的适用性

o    SAC系焊料适用于多种晶圆级封装类型。无论是扇入型还是扇出型晶圆级芯片封装，它都能够提供可靠的焊接性能。在重新分配层封装、倒片封装和硅通孔封装中，也能与相关的材料和工艺较好地配合。例如在扇出型晶圆级芯片封装中，SAC系焊料可以满足复杂电路布局下的信号传输和连接要求，确保封装的质量和可靠性。

五、不同晶圆级封装工艺所需焊料

（一）光刻（Photolithography）工艺相关

1. 工艺特点对焊料的要求

o    光刻工艺主要用于在晶圆表面形成精确的图案。在这个过程中，焊料需要能够承受光刻过程中的化学试剂和光照等条件。例如，在光刻胶的涂覆、曝光和显影过程中，焊料不能与光刻胶或其他化学试剂发生不良反应，否则会影响光刻图案的精度和质量。同时，焊料的表面平整度也很重要，因为不平整的焊料表面可能会导致光刻图案的失真。

2. 适用的焊料类型

o    一些具有良好化学稳定性的焊料比较适合光刻工艺相关的晶圆级封装。例如，Sn - Sb系焊料在光刻工艺环境下表现出较好的稳定性。它能够在光刻过程中保持自身的性能，不会因为化学试剂的侵蚀而发生性能劣化，从而保证后续的焊接和封装工作的顺利进行。

（二）溅射（Sputtering）工艺相关

1. 工艺特点对焊料的要求

o    溅射工艺是通过离子轰击靶材，使靶材原子沉积在晶圆表面形成薄膜。在这个过程中，焊料需要能够与溅射形成的薄膜有良好的结合性能。因为溅射形成的薄膜可能是后续焊接的基础，如果焊料与薄膜结合不好，会导致焊点的附着力不足。此外，焊料在溅射过程中的抗溅射损伤能力也很重要，如果焊料容易被溅射离子破坏，会影响其性能。

2. 适用的焊料类型

o    Sn - Cu系焊料在溅射工艺相关的晶圆级封装中有一定的优势。它能够与溅射形成的铜薄膜等有较好的结合能力，并且具有一定的抗溅射损伤能力。在一些需要在溅射铜薄膜上进行焊接的晶圆级封装应用中，Sn - Cu系焊料可以提供较好的焊接效果。

（三）电镀（Electroplating）工艺相关

1. 工艺特点对焊料的要求

o    电镀工艺是在晶圆表面通过电化学方法沉积金属层。对于焊料来说，在电镀过程中，需要与电镀液有良好的兼容性。如果焊料与电镀液发生化学反应，会影响电镀层的质量和均匀性。同时，焊料的导电性在电镀工艺中也很重要，因为良好的导电性可以确保电镀过程的顺利进行，使焊料能够均匀地沉积在晶圆表面。

2. 适用的焊料类型

o    Sn - Ag系焊料在电镀工艺相关的晶圆级封装中较为适用。其较高的导电性能够满足电镀工艺的要求，并且能够与电镀过程中的化学环境较好地兼容，保证电镀层的质量。例如在一些需要在晶圆表面电镀一层银膜然后进行焊接的应用中，Sn - Ag系焊料可以与电镀银膜形成良好的结合，提高焊点的质量。

（四）光刻胶去胶（PR Stripping）工艺相关

1. 工艺特点对焊料的要求

o    光刻胶去胶工艺会使用化学试剂去除晶圆表面的光刻胶。在这个过程中，焊料需要能够耐受去胶试剂的腐蚀。如果焊料被去胶试剂腐蚀，会影响其性能和焊点的质量。同时，焊料在去胶后的表面状态也很重要，需要保持清洁和平整，以便后续的焊接操作。

2. 适用的焊料类型

o    Sn - In系焊料在光刻胶去胶工艺相关的晶圆级封装中有较好的表现。它能够在去胶过程中抵抗去胶试剂的腐蚀，保持自身的性能稳定。在去胶后，其表面能够保持较好的状态，有利于后续的焊接工作。

（五）金属刻蚀（Metal Etching）工艺相关

1. 工艺特点对焊料的要求

o    金属刻蚀工艺是通过化学或物理方法去除晶圆表面

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