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超细粉末点涂锡膏在异构集成中的 挑战和应用
来源: Bob Jarrett and Jordan Ross, Indium Corporati作者: Bob Jarrett and Jordan Ross, Indium Corporation Jim Hisert and Craig K. Merritt,Indium Corporation Clinton, NY, USA时间:2022-10-28 10:13:53点击:1520

小型化一直以来是电子和半导体封装行业的挑战,近年来随着封装正变得越来越复杂,元件间距不断在变小,越来越多的芯片和元件会被设计封装进一个模组中,对此类异构集成的先进封装工艺产生旺盛的需求,但是在某些场景中,不便使用传统的印刷工艺,锡膏只能通过点涂或喷射工艺实现,超细粉末锡膏点涂技术的运用通常要专业的点锡设备与材料的正确组合才能实现。本研究主要讨论高一致性的精细点锡膏的解决方案,以及不同的点锡设备和锡膏之间特性差异,通过统计学的方法如CPK和标准差分析数据,呈现相应的分析结果。 


介绍

锡膏点锡技术在电子行业已广泛应用多年。这是一个成熟的过程,单点的大小或线宽通常在几百微米。然而,小型化正在推动行业走向异构集成,如(System-inPackage,SiP)系统集成封装。这导致不同的模具和组件被包装成非常紧密的结构,使锡膏点涂一个具有挑战性的过程。在某些情况下,锡膏不适用印刷工艺。例如,当它涉及到非平面或有空腔设计的基板时;或者当模板的设计和 厚度有一定的限制时,较大的焊盘需要更多和更厚的锡膏时,小的焊盘需要更少的锡膏,那么点涂锡膏锡膏可以作为另一种方法来替代。 


现在的挑战是,如何以合理的速度,在100µm或更小的点均匀地涂抹锡膏。实现这一目标主要有两个变量—— 正确选择点锡设备技术和焊锡膏。两者需要一起工作,以实现100µm点大小或更小的超细锡膏分配。焊锡膏的点锡机理是关键之一,因为不同的点锡机理对不同的焊锡膏流 变性能起作用。 


背景 

锡膏

焊锡膏是焊锡粉颗粒和助焊剂的混合物。这两个组件在实现超细点锡方面起着重要作用。助焊剂的作用是除去氧化物,使焊料能湿润到目标表面。不同的应用条件还需提供相应的流变性,如印刷或点涂。通常锡膏表现为一种 有粘性的弹性材料——当施加低剪切力时,它表现为一种 弹性固体,当施加更高的剪切力时,它表现为一种粘性流体。不同的点锡设备或工艺需要不同的流变性才能达到最佳点锡效果。另一方面,焊锡粉可以由不同的合金和粉末尺寸组成。由于合金的比重和硬度不同,不同的合金。不同的粉末颗粒尺寸,粉末形态都与粘度相关联,粉末尺寸对目标点锡尺寸的适配性,粉末的大小应根据所使用的针头内径规范来选择。根据经验,最大粉末颗粒的直径应该允许5-7个粉末球与所选针的内径相通过,以避免堵塞。


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表1/颗粒尺寸表 


更细的粉末颗粒可能有助于更宽的过程窗口,但它也带 来了一些挑战。首先,较细的粉末具有较高的冷焊倾向。 在相同质量下,较细的粉末比较大的颗粒具有更大的表面 积。因此,当有更多的表面积时,冷焊的可能性也增加, 特别是在涉及高压或机械力的点锡技术。 


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其次,表面积的增加也意味着随着粉末的细化,氧化 物水平也更高。因此,较细的粉末将提前耗尽助焊溶剂能力,如果锡膏是在非惰性气氛下回流,对整体焊接锡膏是特别具有挑战性的,并容易造成各种缺陷,如葡萄球状、空洞和润湿性差等。图1显示了粉末由粗转细时不同的表面积。如T3粉与T6SG粉相比,表面积从0.173sqm/g增加到 0.662sqm/g;所以它的表面积是T3粉末的近四倍。 


焊锡粉的圆度和均匀性也至关重要,以减少由于颗粒过 大而产生堵塞的风险。图2显示了半导体行业中典型的T6粉 末。扫描电镜图像显示不规则形状的粒子。虽然这对常规 应用来说已经足够好了,但超细分配需要使用更好质量的 粉末来提高一致性。需要特殊的技术来生产均匀圆度和最 小不规则形状的粒子的高质量粉末,如图3所示;


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涉及助焊剂和合金粉末,有几个关键的参数可以有助于 点锡的一致性。首先,需要优化金属含量,以确保锡膏形 态中有足够的助焊剂。金属含量是指助焊剂和合金粉末两 者之间的重量比。由于合金间比重不同,需要对应地调整 金属负载,以确保得到优化的金属粉末的助焊剂体积比。 例如;将含铅合金Sn63/Pb37与无铅合金SAC305进行比 较,相应合金的比重分别为8.42g/cm3和7.38g/cm3。在相 同的体积里,含铅合金的重量较大,因此需要较高的金属 来弥补合金/助焊剂体积比。


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点涂技术 

气动和螺杆系统是锡膏点锡应用的两种传统方法,在行 业中仍被非常广泛地使用。气动点锡系统也称为注射器点 锡机,它利用点锡时间周期相对于一定水平的流体空气压 力来控制点锡量。螺旋阀体系统采用螺杆旋转机构作为工 作原理,通过一定的螺杆旋转次数、转速和一定水平的流 体空气压力来控制输出量。因此,与传统的气动分配器相 比,螺旋系统能够更一致地控制沉积体积。螺旋阀体使用 螺旋螺丝安装在阀体的壳体内;螺杆的旋转通常由旋转电机 驱动,使锡膏沿着螺杆轴线从送料点一直移动到点锡嘴尖 端。图5说明了螺旋阀体的工作原理。


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螺杆与阀体壳之间的公差配合通常设计为滑动配合,其 间隙范围为3~25µm。这一间隙通常适合大多数一般的流体 应用,特别是非填充材料,如UV胶水和硅系胶水。或是带 有填料的材料,如芯片底填胶,环氧树脂,以及一些由颗 粒填料组成的导电油墨,这些填料小于几微米,通常都不 是一个问题,以实现与螺旋阀体的一致剂量。但焊锡膏粉 末尺寸分布较广,在点锡过程中可能会造成不可预知的喷 嘴堵塞和粉末变形。图6显示了一个例子,焊锡粉末变形在 阀体内形成螺旋片状,这可能导致堵塞的喷嘴。


由于这些原因,气动和螺杆阀体分配方法各有优缺点。但是,当尝试这样一个小体积的点锡膏点锡膏任务时,无论是点状还是线段,由于喷嘴堵塞、材料不均匀、锡 膏流量不一致、锡膏间隙不均匀等原因,两种方法可能都 无法取得良好的效果。气动点锡和螺旋系统都将面临实现 ≤150µm点或划线的困难。


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创新的阀体,如容积阀体、挤压阀体和喷射阀体,已经 被开发出来,以弥补气动和螺杆阀体分配系统的缺点。容 积阀体采用注射注射器的工作原理;它利用精密电动线性驱 动器,创造正位移点锡效果,以实现预设和精确的点锡体 积。该系统对任何材料的粘度随时间的变化都不敏感,并 且通过一个恒定的活塞杆运动产生的材料具有非常高的重 复性。根据活塞杆面积与活塞运动行程的关系,可以准确 地预估出配药结果的输出体积。图7a、图7b为容积阀体的 工作原理及容积计算原理。


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除容积阀体外,挤压阀体点锡系统是另一种点锡技术, 它将时间压力控制元件与独特的可压流体挤压腔相结合。 它同步指定的流体序列控制器(FSC单元),以识别和量化极 微小的焊点和线。挤压分配器的设计是独特的,很容易适 应大多数高触变和高黏度的材料与填料,如银环氧树脂和 锡膏。挤压阀体的另一个优点是,在分配材料腔内没有任 何移动机构,从而减少了粉碎焊锡粉或引起助焊剂分离问 题的任何风险。因此,大大降低了挤压阀体在点涂过程中 粉末发生变形而导致喷嘴堵塞的风险。


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除了挤压阀体外,另一个点锡系统要考虑的是高性能运 动平台。为了达到单点或线条的精度,单点直径与点锡间 隙之间的参考纵横比约为3:1。例如,要调配一个Ø90µm的 圆点,可能需要使用圆点直径的三分之一;30µm是它的点锡 高度,位于喷嘴尖端与板之间。这种微小的间隙对于传统 的机器人来说几乎是不可能处理的。因此,对于整体可有 可无的水平度控制、机构刚度、稳定性和运动精度,需要 一种新的、可靠的高性能运动平台。图9a显示了传统运动 平台与新的和改进的运动平台的性能比较。图9b显示了创 建精细焊点时的点锡运动。


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实验方法 

本研究将考察80μm和100μm单点/划线涂锡的工艺性能。每块测试板将有4000个圆点。每个步骤需要在没有跳 跃的情况下连续获得4000个点,然后才能进行测量。只需 要120次测量(一行),因为测量每个点是耗时的。 


原料 

选择了四种锡膏。样品考虑了不同金属载荷、溶剂类型 和粉末合金。锡膏A和锡膏B具有相同的助焊剂体系(Flux X),但合金粉末类型不同。两者的金属含量不同来考虑到 粘度之间的差异。浆料C、D具有相同的助焊剂体系(Flux Y),但金属含量不同,考察不同金属含量对点锡一致性的影响。


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测试条件 

选择的测试载体是一个6英寸的晶圆,因为它有一个 非常平坦的表面;这是为了排除任何由表面不平整引起的变化。


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设备 

NSW微挤压阀体配S400H点锡运动平台 

NSW-S50-C Ø100µm内径的系列陶瓷喷嘴(图11) 

基恩士VHX6000 2000倍数放大数字显微镜


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结果和讨论 

锡膏助焊剂配方的影响 

不同的助焊剂配方具有不同的流变特性或触变性行为,这是决定锡膏点锡性能的关键。图12显示了锡膏B和锡膏D的比较。两种锡膏都是免洗型配方;尽管具有相似的粘度范 围,但它们的流变行为是不同的。可以看出,与锡膏D相 比,锡膏B在一致性和平均值方面表现明显更好。


在对比B膏和D膏划线图形时,也发现了类似的趋势, 如图13所示。可以观察到,与D锡膏相比,B锡膏有更紧密的扩散。


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金属含量的影响 

图14显示了锡膏C和锡膏D的对比。两种锡膏都有相同 的免洗型助焊剂(Y),但粉末/助焊剂的重量比例不同, 分别为78%和82%。可以观察到,较低的金属含量版本的 性能略好于较高的金属含量版本。与较高的金属含量锡膏样本相比,测得的体积分布更紧密,平均值更高。尽管金 属含量有4%的差异,但点锡的结果非常相似。这可能是由 于两种浆料的触变性指数,由于相同的溶剂体系,它们几 乎是相同的。金属载荷的变化结果只是在粘度上的差异。 这进一步说明,在点锡过程中,锡膏的触变行为比粘度的 作用更大。在这些锡膏的金属含量并达到一个最低的点之 前,并未导致滴落和坍落问题出现,仍有空间进一步优化 这些锡膏的金属含量。


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粉末合金的影响 

由于SnPb合金和SAC305合金的比重不同,当金属负载 含量相同时,相同体积的锡膏中焊锡粉的数量是不同的, 这可以通过调整金属含量来补偿。因此,通过正确的计算,可以确定正确的金属含量,尽管样品的合金不同,但也 可以达到相似的点锡效果。然而,这也可能取决于不同阀 体的设计,对于挤压型阀体设计即使最小的力量施加到粉 末,也有可能引起粉末的变形,在本研究中。如果加大阀 体中的压力,较软的粉末合金可能会冷焊在一起,导致焊 料团块,堵塞针头。


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80μm点状与线段的点锡工艺能力 

在本研究中,A锡膏的表现是所有样品中最好的,图18 和图19显示了使用±20µm规范限的锡膏B的Cpk分析。锡膏 B与挤压阀体的结合能够实现喷涂直径80µm的点锡工艺。 公差应能够进一步收紧至±15µm或±10µm。


阀体之间的区别 

本研究还对气动阀体和螺杆阀进行了测试,然而,气动阀体与螺杆阀体均未能在连续分发4000个点而不遗漏点。 因此,没有对这些测试组进行测量。


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结论 

•通过使用正确的设备和锡膏材料组合,可以实现点锡精确到80µm的单点或划线的能力过程。 

•点锡工艺中锡膏是关键参数,助焊剂的触变特性比粘度值更重要。 

•金属含量调整可以达到最佳的点涂效果。不同的阀体可能会产生不同的金属负载要求。 

•不同类型粉末合金差异不明显;这可能是与阀体的类型相关,它对锡膏施加最小的机械力。通过调整金属载荷,SnPb和SAC305两种合金锡膏均可获得相似的点锡效果。


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