一、晶圓翹曲 

晶圓翹曲是指重構晶圓在加工過程因熱機械應力 的累積而在宏觀上產生翹曲。晶圓翹曲會降低后續掩 膜光刻的工藝精度, 限制再布線層密度的提升。翹 曲產生的應力易在中介層或焊點處集中, 造成焊球開 裂脫落和中介層分層。晶圓尺寸越大, 晶圓所受的熱 和機械應力越強, 局部曲率越高, 翹曲現象越嚴重。隨著大尺寸晶圓在晶圓級封裝的應用, 晶圓翹曲問題 已經成為制約 FOWLP 發展的突出問題。 

由于晶圓表面易被劃傷, 業界通常采用光學手段 對晶圓翹曲進行測量, 依據原理可以大致劃分為光學 干涉測量 和 激 光 掃 描 測 量, 前 者 包 括 影 子 云 紋 法、 投影云紋法和泰 曼-格林干涉法等, 通過光柵干涉 圖像表征晶圓曲率, 后者則是通過激光對晶圓整體進 行掃描定位, 最后通過計算機擬合出晶圓翹曲的情況。  

采用合適的方法對重構晶圓所含材料進行測量和 表征是分析引發晶圓翹曲多種應力的前提。Cheng 等使 用 差 示 掃 描 量 熱 法和 動 態 力 學 分 析評估固化狀態, 使用熱機 械分析儀表征了環氧塑封料的楊氏模量和熱膨脹系數, 為分析各類應 力的強度和不同翹曲形態的成因提供了有力支持。 

環氧塑封料固化引發的體積收縮和不同材料的熱 膨脹系數不匹配被公認為是造成晶圓翹曲的最主要原因, 但隨著研究的深入, 尤其是通過分析傳統理論 模型和實際結果之間的偏差, 近年來發現了更多影響 晶圓翹曲的因素。

Dijk 等和 Chiu 等發現硅的各 向異性和環氧塑封料的粘彈性松弛效應對翹曲也有一 定影響, 固化工藝之后的工藝環節, 尤其是再布線和 植球等存在劇烈溫度變化的工藝會對晶圓翹曲產生影 響。Chiu 還通過實驗和建模分析認為環氧塑封料的化 學收縮對翹曲的影響微不足道。Cheng 等通過分 析環氧塑封料的固化過程發現重力會對晶圓翹曲產生 影響。 

張振越等基于雙層圓形板彎曲理論與復合材料 等效方法, 提出 FOWLP 圓片翹曲理論解析表達式。實現對翹曲的快速預測。Chen 等使用頻域動態力 學分析表征了 EMC 和 PI 的線性粘彈性, 將粘彈性模 型用于對固化結構的有限元分析, 實現了對晶圓翹曲 的精準預測。Li 等結合材料微觀力學模型, 針對異 構集成結構建立物理模型, 通過建模調整參數使得 8 英寸晶圓翹曲控制在 2 mm 以內。

近幾年來, 業界深入分析了晶圓翹曲的成因, 表 征了翹曲程度和引發翹曲的應力, 支撐了業界工藝流 程參數優化 。 

二、芯片偏移 

芯片偏移是指晶粒偏離應有位置。芯片偏移現象 可以通過高倍顯微鏡觀察發現, 這既可能是晶圓重構 精度不足造成的, 也有可能是后續工藝環節產生的應 力導致的。 

引發芯片偏移的應力主要包含兩種。主要的一種是由固化成型期間環氧塑封料的流動誘導阻力 引起的流體流動(Fluid Flow, FF)。另一個是由封裝的 熱膨脹/ 收縮、 環氧塑封料的固化收縮和晶圓翹曲引起 的熱機械(Thermo-Mechanical, TM)應力 。與晶圓 翹曲類似, 芯片偏移也會降低再布線工藝中光刻的工 藝精度, 并導致芯片鏈路產生開路。  

為了分析兩種應力對芯片偏移的影響, 業界通過 建模和試驗對兩種應力的強度和作用機制進行了分析。Cheng 等基于某種環氧塑封料建立了流體動力學 模型用以研究液體流動對芯片偏移的影響, 發現重構 晶圓邊緣處的晶粒芯片偏移最為嚴重, 分析認為熱機 械效應和誘導阻力造成的應力具有相似的作用機制, 都是越靠近邊緣應力越大。

Wu 等通過建模比較了 熱機械應力和流體流動的強度, 認為熱機械效應對芯 片偏移產生更多影響。Ouyang 等根據目前已經發 現的影響芯片偏移的應力, 針對聚二甲基硅氧烷這一 特殊的塑封料建立流體動力學模型, 實現對塑封過程 中翹曲變化的預測。通過比對不同種類粘合 劑的粘附強度和使用不同粘合劑對芯片偏移產生的影 響, 發現晶圓重構工藝中臨時載體的黏附力不足是造 成芯片偏移問題最直接的原因。 

相較于晶圓翹曲, 引發芯片偏移的應力種類較少, 芯片偏移的失效機制較為清晰。

三、焊點開裂 

由于 FOWLP 的 I/ O 接口數量越來越多, FOWLP 的尺寸和焊點密度均有所提升。在焊點的體積變小的 同時單個焊點所受應力越來越高, 所以焊點的可靠性 問題日益突出。

對焊點進行建模有助于對焊點可靠性進行預計, 便于工藝改進和設計優化, Lau 等建立了非線性、 時間和溫度相關的三維有限元模型, 采用線性加速因 子將測試條件下的焊點可靠性映射到操作條件下的焊 接點可靠性, 得到了置信度為 90%的封裝特征壽命。

Wang 等基于能量法描述和預測焊點形狀, 當液體 達到靜態平衡時, 其總能量趨于最低, 表面積趨于最小。液體的能量主要包括表面張力能、 重力能和外能。根據總能量, 可以計算重力方向上的恢復力, 進而估 算焊球的形狀和高度, 并基于 Coffin-Manson 應變的 經驗模型估計焊點的疲勞壽命。

 Lee 等建立了一種 非線性模擬方法, 用于研究制造過程和熱循環實驗的 耦合效應。在有限元建模中分析了焊料凸臺的塑性和 蠕變行為, 研究了 SnAg 焊料凸臺中累積的非彈性應 變。還對相關幾何尺寸和底部填充材料進行了參數化分析。

 在不同環境壓力下, 焊球的失效模式表現不同。Cho 等通過可靠性試驗發現在跌落試驗中, 焊球界 面斷裂和 PCB 焊盤出現凹坑是主要失效模式, 而在溫 度循環試驗中, 焊球界面斷裂和重布線層出現裂紋是 主要失效模式。 

除此之外, 在對焊球質量的批量化監測方面, Lu 等用掃描聲學顯微鏡對樣本進行測試, 并使用聚類 模糊 C 均值(FCM)算法對焊點進行識別。訓練所得學 習模型可應用于高密度焊點可靠性的快速檢測。業界對焊點可靠性的研究相對成熟, 對引發焊點 應力集中的作用機制已有充足的探索, 建立了可信度 較高的焊點物理模型。  

四、重布線層分層 

重布線 層 中 最 常 用 的 有 機 材 料 包 括 聚 酰 亞 胺、 聚苯并惡唑 和苯并環丁烯, 除此之外還 有酚醛樹脂等材料, 其中 PBO 機械強度最高但是熱膨 脹系數過高, BCB 勝在優良的電學性能, 但是機械強 度最差。 

將酚醛樹脂等三種材料與 PI 進行比 較, 認為 PI 具有超過 30%的優異伸長率和 52×10 -6 / K 的熱膨脹系數, 是目前性能最均衡的 RDL 有機材料。PI 是目前重布線層中最常用的有機材料。但是 PI 固化 溫度過高, 普通的 PI 固化溫度超過 300 ℃, 經過改良 的低溫固化 PI 的固化溫度也在 200 ℃以上, 對工藝設 計的優化要求較高。 

通過試驗比較了兩種 PI、 PBO 和酚醛樹脂在銅表面的臨界能量釋放率, 并 根據實驗曲線建立了可以模擬任意溫度下分層可能性 的仿真模型。 

 重布線層分層常發生在溫度循環測試之后, 重布 線層不同材料層經歷反復的熱脹冷縮, 材料間界面的 疲勞應力導致開裂。沖擊測試中也會發現重布線層分 層現象, Lau 等通過試驗估算了重布線層的特征壽 命, 并發現封裝最大應力出現在受到沖擊后的 0. 0023 s, 位置在封裝四角, 最下層的重布線層所受應力最 大, 易發生開裂現象。 

重布線層分層是扇出型封裝中常見的失效模式, 但是重布線層結構和重布線工藝流程復雜, 結構和材 料個性化強, 重布線層仿真難度高, 需要針對不同的 封裝結構單獨進行分析。 

五、芯片封裝清洗：合明科技研發的水基清洗劑配合合適的清洗工藝能為芯片封裝前提供潔凈的界面條件。

水基清洗的工藝和設備配置選擇對清洗精密器件尤其重要，一旦選定，就會作為一個長期的使用和運行方式。水基清洗劑必須滿足清洗、漂洗、干燥的全工藝流程。

污染物有多種，可歸納為離子型和非離子型兩大類。離子型污染物接觸到環境中的濕氣，通電后發生電化學遷移，形成樹枝狀結構體，造成低電阻通路，破壞了電路板功能。非離子型污染物可穿透PC B 的絕緣層，在PCB板表層下生長枝晶。除了離子型和非離子型污染物，還有粒狀污染物，例如焊料球、焊料槽內的浮點、灰塵、塵埃等，這些污染物會導致焊點質量降低、焊接時焊點拉尖、產生氣孔、短路等等多種不良現象。

這么多污染物，到底哪些才是最備受關注的呢？助焊劑或錫膏普遍應用于回流焊和波峰焊工藝中，它們主要由溶劑、潤濕劑、樹脂、緩蝕劑和活化劑等多種成分，焊后必然存在熱改性生成物，這些物質在所有污染物中的占據主導，從產品失效情況來而言，焊后殘余物是影響產品質量最主要的影響因素，離子型殘留物易引起電遷移使絕緣電阻下降，松香樹脂殘留物易吸附灰塵或雜質引發接觸電阻增大，嚴重者導致開路失效，因此焊后必須進行嚴格的清洗，才能保障電路板的質量。

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