扇出型晶圆级封装主要工艺缺陷和失效模式与芯片封装清洗介绍

一、晶圆翘曲 

晶圆翘曲是指重构晶圆在加工过程因热机械应力 的累积而在宏观上产生翘曲。晶圆翘曲会降低后续掩 膜光刻的工艺精度, 限制再布线层密度的提升。翘 曲产生的应力易在中介层或焊点处集中, 造成焊球开 裂脱落和中介层分层。晶圆尺寸越大, 晶圆所受的热 和机械应力越强, 局部曲率越高, 翘曲现象越严重。随着大尺寸晶圆在晶圆级封装的应用, 晶圆翘曲问题 已经成为制约 FOWLP 发展的突出问题。 

由于晶圆表面易被划伤, 业界通常采用光学手段 对晶圆翘曲进行测量, 依据原理可以大致划分为光学 干涉测量 和 激 光 扫 描 测 量, 前 者 包 括 影 子 云 纹 法、 投影云纹法和泰 曼-格林干涉法等, 通过光栅干涉 图像表征晶圆曲率, 后者则是通过激光对晶圆整体进 行扫描定位, 最后通过计算机拟合出晶圆翘曲的情况。  

采用合适的方法对重构晶圆所含材料进行测量和 表征是分析引发晶圆翘曲多种应力的前提。Cheng 等使 用 差 示 扫 描 量 热 法和 动 态 力 学 分 析评估固化状态, 使用热机 械分析仪表征了环氧塑封料的杨氏模量和热膨胀系数, 为分析各类应 力的强度和不同翘曲形态的成因提供了有力支持。 

环氧塑封料固化引发的体积收缩和不同材料的热 膨胀系数不匹配被公认为是造成晶圆翘曲的最主要原因, 但随着研究的深入, 尤其是通过分析传统理论 模型和实际结果之间的偏差, 近年来发现了更多影响 晶圆翘曲的因素。

Dijk 等和 Chiu 等发现硅的各 向异性和环氧塑封料的粘弹性松弛效应对翘曲也有一 定影响, 固化工艺之后的工艺环节, 尤其是再布线和 植球等存在剧烈温度变化的工艺会对晶圆翘曲产生影 响。Chiu 还通过实验和建模分析认为环氧塑封料的化 学收缩对翘曲的影响微不足道。Cheng 等通过分 析环氧塑封料的固化过程发现重力会对晶圆翘曲产生 影响。 

张振越等基于双层圆形板弯曲理论与复合材料 等效方法, 提出 FOWLP 圆片翘曲理论解析表达式。实现对翘曲的快速预测。Chen 等使用频域动态力 学分析表征了 EMC 和 PI 的线性粘弹性, 将粘弹性模 型用于对固化结构的有限元分析, 实现了对晶圆翘曲 的精准预测。Li 等结合材料微观力学模型, 针对异 构集成结构建立物理模型, 通过建模调整参数使得 8 英寸晶圆翘曲控制在 2 mm 以内。

近几年来, 业界深入分析了晶圆翘曲的成因, 表 征了翘曲程度和引发翘曲的应力, 支撑了业界工艺流 程参数优化 。 

二、芯片偏移 

芯片偏移是指晶粒偏离应有位置。芯片偏移现象 可以通过高倍显微镜观察发现, 这既可能是晶圆重构 精度不足造成的, 也有可能是后续工艺环节产生的应 力导致的。 

引发芯片偏移的应力主要包含两种。主要的一种是由固化成型期间环氧塑封料的流动诱导阻力 引起的流体流动(Fluid Flow, FF)。另一个是由封装的 热膨胀/ 收缩、 环氧塑封料的固化收缩和晶圆翘曲引起 的热机械(Thermo-Mechanical, TM)应力 。与晶圆 翘曲类似, 芯片偏移也会降低再布线工艺中光刻的工 艺精度, 并导致芯片链路产生开路。  

为了分析两种应力对芯片偏移的影响, 业界通过 建模和试验对两种应力的强度和作用机制进行了分析。Cheng 等基于某种环氧塑封料建立了流体动力学 模型用以研究液体流动对芯片偏移的影响, 发现重构 晶圆边缘处的晶粒芯片偏移最为严重, 分析认为热机 械效应和诱导阻力造成的应力具有相似的作用机制, 都是越靠近边缘应力越大。

Wu 等通过建模比较了 热机械应力和流体流动的强度, 认为热机械效应对芯 片偏移产生更多影响。Ouyang 等根据目前已经发 现的影响芯片偏移的应力, 针对聚二甲基硅氧烷这一 特殊的塑封料建立流体动力学模型, 实现对塑封过程 中翘曲变化的预测。通过比对不同种类粘合 剂的粘附强度和使用不同粘合剂对芯片偏移产生的影 响, 发现晶圆重构工艺中临时载体的黏附力不足是造 成芯片偏移问题最直接的原因。 

相较于晶圆翘曲, 引发芯片偏移的应力种类较少, 芯片偏移的失效机制较为清晰。

三、焊点开裂 

由于 FOWLP 的 I/ O 接口数量越来越多, FOWLP 的尺寸和焊点密度均有所提升。在焊点的体积变小的 同时单个焊点所受应力越来越高, 所以焊点的可靠性 问题日益突出。

对焊点进行建模有助于对焊点可靠性进行预计, 便于工艺改进和设计优化, Lau 等建立了非线性、 时间和温度相关的三维有限元模型, 采用线性加速因 子将测试条件下的焊点可靠性映射到操作条件下的焊 接点可靠性, 得到了置信度为 90%的封装特征寿命。

Wang 等基于能量法描述和预测焊点形状, 当液体 达到静态平衡时, 其总能量趋于最低, 表面积趋于最小。液体的能量主要包括表面张力能、 重力能和外能。根据总能量, 可以计算重力方向上的恢复力, 进而估 算焊球的形状和高度, 并基于 Coffin-Manson 应变的 经验模型估计焊点的疲劳寿命。

 Lee 等建立了一种 非线性模拟方法, 用于研究制造过程和热循环实验的 耦合效应。在有限元建模中分析了焊料凸台的塑性和 蠕变行为, 研究了 SnAg 焊料凸台中累积的非弹性应 变。还对相关几何尺寸和底部填充材料进行了参数化分析。

 在不同环境压力下, 焊球的失效模式表现不同。Cho 等通过可靠性试验发现在跌落试验中, 焊球界 面断裂和 PCB 焊盘出现凹坑是主要失效模式, 而在温 度循环试验中, 焊球界面断裂和重布线层出现裂纹是 主要失效模式。 

除此之外, 在对焊球质量的批量化监测方面, Lu 等用扫描声学显微镜对样本进行测试, 并使用聚类 模糊 C 均值(FCM)算法对焊点进行识别。训练所得学 习模型可应用于高密度焊点可靠性的快速检测。业界对焊点可靠性的研究相对成熟, 对引发焊点 应力集中的作用机制已有充足的探索, 建立了可信度 较高的焊点物理模型。  

四、重布线层分层 

重布线 层 中 最 常 用 的 有 机 材 料 包 括 聚 酰 亚 胺、 聚苯并恶唑 和苯并环丁烯, 除此之外还 有酚醛树脂等材料, 其中 PBO 机械强度最高但是热膨 胀系数过高, BCB 胜在优良的电学性能, 但是机械强 度最差。 

将酚醛树脂等三种材料与 PI 进行比 较, 认为 PI 具有超过 30%的优异伸长率和 52×10 -6 / K 的热膨胀系数, 是目前性能最均衡的 RDL 有机材料。PI 是目前重布线层中最常用的有机材料。但是 PI 固化 温度过高, 普通的 PI 固化温度超过 300 ℃, 经过改良 的低温固化 PI 的固化温度也在 200 ℃以上, 对工艺设 计的优化要求较高。 

通过试验比较了两种 PI、 PBO 和酚醛树脂在铜表面的临界能量释放率, 并 根据实验曲线建立了可以模拟任意温度下分层可能性 的仿真模型。 

 重布线层分层常发生在温度循环测试之后, 重布 线层不同材料层经历反复的热胀冷缩, 材料间界面的 疲劳应力导致开裂。冲击测试中也会发现重布线层分 层现象, Lau 等通过试验估算了重布线层的特征寿 命, 并发现封装最大应力出现在受到冲击后的 0. 0023 s, 位置在封装四角, 最下层的重布线层所受应力最 大, 易发生开裂现象。 

重布线层分层是扇出型封装中常见的失效模式, 但是重布线层结构和重布线工艺流程复杂, 结构和材 料个性化强, 重布线层仿真难度高, 需要针对不同的 封装结构单独进行分析。 

五、芯片封装清洗： 研发的水基清洗剂配合合适的清洗工艺能为芯片封装前提供洁净的界面条件。

水基清洗的工艺和设备配置选择对清洗精密器件尤其重要，一旦选定，就会作为一个长期的使用和运行方式。水基清洗剂必须满足清洗、漂洗、干燥的全工艺流程。

污染物有多种，可归纳为离子型和非离子型两大类。离子型污染物接触到环境中的湿气，通电后发生电化学迁移，形成树枝状结构体，造成低电阻通路，破坏了电路板功能。非离子型污染物可穿透PC B 的绝缘层，在PCB板表层下生长枝晶。除了离子型和非离子型污染物，还有粒状污染物，例如焊料球、焊料槽内的浮点、灰尘、尘埃等，这些污染物会导致焊点质量降低、焊接时焊点拉尖、产生气孔、短路等等多种不良现象。

这么多污染物，到底哪些才是最备受关注的呢？助焊剂或锡膏普遍应用于回流焊和波峰焊工艺中，它们主要由溶剂、润湿剂、树脂、缓蚀剂和活化剂等多种成分，焊后必然存在热改性生成物，这些物质在所有污染物中的占据主导，从产品失效情况来而言，焊后残余物是影响产品质量最主要的影响因素，离子型残留物易引起电迁移使绝缘电阻下降，松香树脂残留物易吸附灰尘或杂质引发接触电阻增大，严重者导致开路失效，因此焊后必须进行严格的清洗，才能保障电路板的质量。

推荐使用 水基清洗剂产品。