系統(tǒng)級(jí)封裝(SiP)組裝技術(shù)與錫膏特性

Sze Pei Lim，Kenneth Thum，Andy Mackie，David Hu

(1. 銦泰公司， 美國(guó)紐約州克林頓13323；2. 銦泰公司， 江蘇 蘇州215126)

為了在SiP 應(yīng)用中得到一致的優(yōu)異細(xì)間距印刷性能，錫膏的特性如錫粉尺寸、助焊劑系統(tǒng)、流變性、坍塌特性和鋼網(wǎng)壽命都很重要，都需要被仔細(xì)考慮。合適的鋼網(wǎng)技術(shù)、設(shè)計(jì)和厚度，配合印刷時(shí)使用好的板支撐系統(tǒng)對(duì)得到一致且優(yōu)異的錫膏轉(zhuǎn)印效率也是很關(guān)鍵的。回流曲線需要針對(duì)不同錫膏的特性進(jìn)行合適的設(shè)計(jì)來(lái)達(dá)到空洞最小化。從目前的01005 元件縮小到008004，甚至于下一代封裝的0050025，錫膏的印刷性能變得非常關(guān)鍵。從使用3 號(hào)粉或者4 號(hào)粉的傳統(tǒng)表面貼裝錫膏印刷發(fā)展到更為復(fù)雜的使用5、6 號(hào)粉甚至7 號(hào)粉的SiP 印刷工藝。新的工藝鋼網(wǎng)開孔更小且鋼網(wǎng)厚度更薄，對(duì)可接受的印刷錫膏體積的差異要求更為嚴(yán)格。

除了必須要印刷更小和更薄的錫膏沉積，相鄰焊盤的間隙也更小了。有些廠家已經(jīng)開始嘗試50 μm 的焊盤間隙。為了在如此有挑戰(zhàn)的條件下達(dá)到優(yōu)異和一致的印刷表現(xiàn)，除了良好的印刷機(jī)設(shè)置及合適的鋼網(wǎng)技術(shù)以外，為錫膏選擇正確的錫粉尺寸、助焊劑系統(tǒng)、流變性和坍塌特性就很關(guān)鍵。

1 錫膏

1.1 錫粉

錫粉尺寸根據(jù)IPC J-STD-005A 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的類型來(lái)分類，如表1 所示，介紹了電子行業(yè)和半導(dǎo)體行業(yè)所使用不同尺寸的錫粉。盡管SMT 中使用的3 號(hào)、4 號(hào)、5 號(hào)粉用量仍然在增長(zhǎng)，但一些封測(cè)廠和公司已經(jīng)在SiP 封裝中的01005 元件上使用6 號(hào)粉；在使用008004 元件的下一代封裝中，6 號(hào)粉和7 號(hào)粉都在考慮的范圍內(nèi)。圖1 顯示了5 號(hào)、6 號(hào)和7 號(hào)粉的SEM 照片。

表1 按照IPC J-STD-005A 標(biāo)準(zhǔn)的錫粉尺寸分布表 μm

圖1 5 號(hào)、6 號(hào)及7 號(hào)粉的掃描電鏡圖像

行業(yè)基本的指導(dǎo)方針是：為達(dá)到一致的錫膏印刷表現(xiàn)來(lái)選擇正確的錫粉尺寸——使得鋼網(wǎng)開口寬度能容納至少5～6 顆錫粉（錫粉尺寸范圍內(nèi)大的顆粒）是很重要的。根據(jù)這個(gè)規(guī)則，表1 中列出了針對(duì)每種錫粉尺寸推薦的最小鋼網(wǎng)開孔。

選用更小的錫粉尺寸的另外一個(gè)問(wèn)題是錫粉表面積的增加。如表2 所示，當(dāng)錫粉尺寸從3 號(hào)粉減小為7 號(hào)粉，錫粉的表面積顯著地增加了。增加的錫粉表面積就需要更強(qiáng)的助焊劑活性，或者助焊劑有更好的氧氣阻擋能力來(lái)保護(hù)錫粉表面不被氧化[2]。因此，選擇設(shè)計(jì)合理的能配合細(xì)粉的助焊劑和選擇氧化度低的錫粉很重要。這些因素可以增強(qiáng)細(xì)間距錫膏的穩(wěn)定性，包括存儲(chǔ)壽命、鋼網(wǎng)壽命和潤(rùn)濕。過(guò)高的活性劑水平也同樣會(huì)讓錫膏穩(wěn)定性下降，所以助焊劑配方是很復(fù)雜的。

表2 錫粉尺寸及鋼網(wǎng)開孔尺寸對(duì)照表

1.2 助焊劑系統(tǒng)

助焊劑有不同類型。一般來(lái)說(shuō)有水溶型助焊劑、標(biāo)準(zhǔn)免洗型助焊劑、還有最近被大規(guī)模使用的超低殘留(ULR)免洗型助焊劑（特別是用于半導(dǎo)體封裝中）。表3 對(duì)不同助焊劑系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比[4]。

目前，大多數(shù)SiP 應(yīng)用都使用水溶型助焊劑系統(tǒng)，助焊劑殘留會(huì)在回流之后用水清洗干凈，接下來(lái)就是烘干和注塑工序。隨著微型化趨勢(shì)的繼續(xù)，某些SiP 應(yīng)用很快就會(huì)遇到瓶頸：在焊點(diǎn)間隙和元件高度非常小的時(shí)候很難實(shí)現(xiàn)有效的清洗，這時(shí)就有必要使用超低殘留免洗錫膏。這種新的錫膏節(jié)省了所有清洗和化學(xué)工藝費(fèi)用，并減少了元件翹曲和循環(huán)時(shí)間。

表3 不同助焊劑系統(tǒng)的比較

1.3 錫膏流變性

減小錫膏中錫粉的顆粒尺寸會(huì)增加黏度，因?yàn)橹竸┍旧硎怯|變性的。鋼網(wǎng)印刷中使用的錫膏是一種低屈服應(yīng)力剪切稀化的觸變性材料，其流變性是由助焊劑系統(tǒng)和錫粉一起控制的。錫膏的流變性控制了錫膏開孔填充性能、錫膏從鋼網(wǎng)到基板的轉(zhuǎn)印效率以及印刷后錫膏沉積的形狀。這些是決定錫膏優(yōu)異印刷性能的關(guān)鍵。

1.4 錫膏的坍塌特性

坍塌的定義是錫膏塊由于重力的作用在X-Y方向進(jìn)行擴(kuò)展。錫膏內(nèi)部的屈服應(yīng)力能夠阻止坍塌。過(guò)高的金屬含量會(huì)給錫膏一個(gè)非常高的屈服應(yīng)力，使錫膏不能良好地填充鋼網(wǎng)開孔以及脫模。因此，針對(duì)印刷工藝進(jìn)行金屬含量的優(yōu)化是很重要的，并為多種因素所驅(qū)動(dòng)。

1.5 錫膏的鋼網(wǎng)壽命

擁有鋼網(wǎng)壽命長(zhǎng)的錫膏對(duì)降低長(zhǎng)時(shí)間印刷中的板與板之間差異很重要。一般來(lái)說(shuō)，4～8 h 的鋼網(wǎng)壽命對(duì)大規(guī)模生產(chǎn)是必要的。

2 印刷試驗(yàn)

在該研究中，設(shè)計(jì)了不同錫膏、治具配置和鋼網(wǎng)開孔尺寸的幾種搭配方式。對(duì)使用不同助焊劑和不同顆粒尺寸錫粉的3 種錫膏樣本進(jìn)行了研究。同時(shí)通過(guò)比較使用平臺(tái)和真空的板支撐系統(tǒng)，試驗(yàn)了是否可以單獨(dú)使用平臺(tái)支撐來(lái)得到一致性較好的印刷工藝。并比較了激光切割和電鑄鋼網(wǎng)在不同開孔尺寸下的印刷結(jié)果。

2.1 測(cè)試板

測(cè)試板是特別設(shè)計(jì)用來(lái)模擬典型的基板，237 mm（長(zhǎng)），62 mm（寬），0.5 mm（厚）(如圖2 所示)。在測(cè)試板上有兩個(gè)焊盤的陣列。每一排都有不同的焊盤尺寸：第一排150 μm×125 μm；第二排150 μm×100 μm；第三排150 μm×112.5 μm。每一列焊盤間間隙不同，例如，50 μm、80 μm、100 μm、130 μm 和150 μm(如圖3 所示)。

圖2 系統(tǒng)級(jí)封裝測(cè)試板

圖3 印刷圖形陣列

焊盤有水平和垂直位置，這樣可以模擬不同的刮刀刮動(dòng)方向。焊盤表面鍍層為鎳金(ENIG)和非綠漆設(shè)限型(NSMD)。測(cè)試板上也有01005 的焊盤，但這不是本次研究的關(guān)注點(diǎn)。

2.2 錫膏樣本

在印刷測(cè)試中選擇了3 種助焊劑：兩種水溶型和一種免洗型。這3 種助焊劑混合了6 號(hào)和7號(hào)錫粉。因?yàn)楦?xì)的粉黏度更高，因此7 號(hào)粉的錫膏對(duì)金屬含量進(jìn)行了微調(diào)來(lái)降低黏度，使其達(dá)到和6 號(hào)粉的錫膏差不多的黏度水平。表4 是使用的錫膏樣本一覽表。

表4 錫膏樣本列表

3 鋼網(wǎng)設(shè)計(jì)

在此研究中選擇了3 種鋼網(wǎng)：即一張50 μm厚的激光切割鋼網(wǎng)和兩張厚度分別為35 μm 和50 μm 的電鑄鋼網(wǎng)。激光切割鋼網(wǎng)采用和測(cè)試板焊盤尺寸1∶1 的開孔設(shè)計(jì)，電鑄鋼網(wǎng)的左側(cè)陣列也采用1∶1 一的開孔，右側(cè)陣列采用了圖4 和表5 中顯示的稍小開孔設(shè)計(jì)。兩張電鑄鋼網(wǎng)的開孔設(shè)計(jì)相同，只是厚度不同。

圖4 開孔尺寸設(shè)計(jì)

表5 開孔尺寸及面積比對(duì)照表

3.1 設(shè)備和治具配置

●DEK Horizon 印刷機(jī)

●Koh Young 錫膏檢測(cè)儀

●60°角的300 mm（12 英寸）刮刀

●真空支撐

●平臺(tái)支撐

3.2 印刷參數(shù)

印刷速度在所有的試驗(yàn)中是固定不變的，刮刀壓力在每一個(gè)試驗(yàn)中調(diào)整到使用最小壓力，即，剛好使鋼網(wǎng)表面刮干凈的壓力（見表6）。使用最小壓力在連續(xù)印刷中非常關(guān)鍵，過(guò)大的壓力會(huì)使印刷表面因?yàn)楣蔚秹毫Χ苿?dòng)。擦拭頻率設(shè)定為3 片一擦，擦拭模式為濕擦/ 真空擦/ 干擦(W/V/D)。

表6 不同錫膏的印刷參數(shù)設(shè)置

未完待續(xù)