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避免無助熔劑區域

應用於尖端封裝之噴射助熔劑材料

作者：Horatio Quinones and Wesley W. Walters, Asymtek 日期：2009/2/11 來源：半導體科技

在冶金結合製程之前的表面處理工作是用以確保軟性銲錫與不同表面之間能形成強力的金屬鍵結。傳統的方式是採用一層銲錫夾雜一些清洗劑，這種方法對於球閘陣列(ball grid arrays，BGAs)、大晶片尺寸封裝(large chip-scale packages，CSPs)、陶瓷球閘陣列(ceramic ball grid arrays，CBGAs)以及陶瓷柱閘陣列(ceramic columns grid arrays，CCGAs)是非常適用的，因為這些封裝的墊片間距夠大，足以容納銲錫打印或是沈積在對應的凸點錫塊。較緊密的封裝會用到覆晶技術，可是這種技術的凸點尺寸與間距不允許在對應的金屬墊上個別沈積銲錫，所以需要新的技術來克服這種問題。一種替代的製程方案是在基板上及金屬墊周圍塗上助熔劑清洗劑。

助熔劑降低或是消除了氧化狀況，並且限制氧化的生成物，這使得銲錫球在熱回流(reflow)過程中能黏著到封裝內連接線。因為錫的氧化層非常薄，只需要一些助熔劑就可以使銲錫接合創造一個很乾淨的表面。助熔劑在銲錫凸點硬化前，也能避免零件在經過傳輸帶或其他環境時，會出現滑動位移的情形。助熔劑的條件包括全金屬墊覆蓋、一致性且均勻層厚、對封裝無污染威脅或者形成不佳的表面，這些都需要一個具有良好邊緣定義能力的製程。

助熔劑塗佈法
沈積助熔劑的方法有針腳轉移法(pin transfer)、模版印刷法(stencil printing)、超音波噴塗法(ultrasonic spraying)、浸濕法(dipping)以及助熔劑噴射法(flux jetting)，並且又區分為有及沒有圓錐空氣輔助等。針腳轉移法是一個簡單的方法，將特製的工具浸入助熔劑儲存器中，然後將助熔劑移轉到封裝基板或是PCB上。然而，由於這種製程缺乏一致性，所以它只用在低腳數的輸入、輸出(I/O)設計上，這方面的應用對於清洗助熔劑殘留的挑戰較少。此外，向下探觸每個零件位置以轉移助熔劑到每個銲錫墊上的動作是緩慢的，再者對不同封裝採用不同的工具使得清洗變得困難。

組裝製程中的另一種方法是以模版印刷將助熔劑塗到接觸墊上，此法的基板表面是沒有零件的，如電阻或電容等，而且因為金屬墊隔距離夠大，使它能與現有的模版印刷技術相容。這方法有一個缺點就是多數板上覆晶(flip chip on board，FCOB)和封裝中覆晶(flip chip in package，FCIP)的零件是在其他零件黏著到基板表面後才加上，由於電子組裝微小化的緣故，球的間距或是目前FCOB與FCIP零件的間距要不是挑戰現有的模版印刷能力，就是這些球靠的太近以致於模版印刷不能適用。

另一種助熔劑塗佈法是所謂的超音波噴塗法，它具有一個可控制的原子級噴嘴，利用壓電陶瓷促動器將助熔劑激化到共振頻率以進行塗佈動作。在此製程中，空氣壓力扮演重要的角色以維持穩定的沈積量。然而，超音波噴塗法受限於5-50 cps的低黏性液體。

助熔劑浸濕法可以輕易地將比較黏的助熔劑，或是低黏性液體塗到銲錫凸點上。凸點陣列浸入助熔劑液體容器的深度必須確定能包含凸點尺寸的變異、晶片(die)傾斜的程度等因素。然而，如果沒有適當地架設與監控，助熔劑浸濕法會在凸點上沾上過多的助熔劑或者沾到晶片的部分。

圖一顯示助熔劑浸濕製程。一個刮刀製程以連續的刮刀動作使得液狀助熔劑同質而且均勻，並且預備將助熔劑塗到凸點陣列上。大部分時間浸濕製程是在置放機中完成。經過估算，採用零件置放機以塗佈助熔劑的方式會有高達25%的產能損失。

圖一：助熔劑浸濕製程。

助熔劑噴射法
由於上述各種方法有產能降低、液體黏度限制、晶片置放位置限制等缺點，所以一種新的方法已經發展出來。新世代的助熔劑噴射系統*具有非接觸式液體塗佈的好處，還具有軟體驅動的高精密X-Y置放系統。這套高容量生產製程包含全面積覆蓋、薄助熔劑層厚以及整體製程的產能提高等優點。

方法
這套系統在封裝基板或PCB上方的某個位置噴射出一微小液體顆粒，之後以一個氣壓脈衝使其在基板表面上，形成一層薄薄的助熔劑層。這層助熔劑會順著基板表面的起伏，完整地覆蓋凸點陣列上的封裝基板或是PCB，並且是一層具有同質性的薄助熔劑層，由此確保這些助熔劑對所有金屬墊都可用。當封裝開始熱回流步驟時，表面張力會把晶片往下拉，而且具有較小或變形凸點的金屬墊會接觸，然後形成一可靠的銲錫接合2。圖二顯示一組圓錐座(cone-in-seat)噴射配置，助熔劑從噴嘴中藉由液體與空氣的壓力射出。這個圓錐能精準控制助熔劑的沈積量，同時利用同軸輔助空氣克服基板表面的張力問題，以及降低整體助熔劑的厚度2。這套噴射系統能使用黏性助熔劑或是高溶解度助熔劑材料。

圖二：同軸助熔劑噴射器截面圖。

非常低黏度的液體可以利用液體壓力及閥的開啟時間(valve-on-time)的搭配而射出，並且利用活塞機制達到對閥座的完全關閉(positive shutoff)動作。當黏度提高時，只靠液體壓力不足以累積足夠的助熔劑以離開噴嘴，因此，一個不一樣的方案是巧妙利用活塞動量的轉移，在活塞撞擊基座時產生一能量的移轉，使得助熔劑能滴落到基板上。高黏度與低黏度液體都藉由同軸氣體噴射，而灑落到一可受控制的薄膜上。

圖三顯示一顆粒經由動量移轉機制後噴出，之後伴隨而來的是中空形狀的同軸空氣將助熔劑顆粒吹平，使其厚度均勻並且與表面潮濕特性無關。

圖三：同軸空氣助熔劑噴射圖。

助熔劑噴射系統是藉由選擇性地發射高速連續微小顆粒到基板上，以達到持續性傳送多種助熔劑並且維持高準度邊緣定義。噴射頭在X-Y表面上移動以噴灑預先設定好的圖樣，這個動作不需要Z方向的移動或是複雜的高度偵測裝置。系統的工作時間短，高達每一個微小顆粒只需要幾個毫秒(millisecond)的時間，因為具有快速且準確的X-Y運動系統，而且完全不需要Z方向的運動，所以造就高製程速度以跟上其餘製程線的步伐。此外，完全不需要跟基板有實質接觸的特性更加快了製程速度，同時避免污染的風險。採用脈衝式空氣輔助技術以擴大噴射助熔劑製程，可以達到更高的準確度。實際上，脈衝式空氣輔助製程在每一個微小顆粒或微小線射出之後，放射一道快速的空氣脈衝，如此可以打破天然的表面張力，然後讓材料均勻地散佈在基板上。不同於其他噴灑式製程中的顆粒是在空氣中隨機地原子化，脈衝式空氣輔助噴射控制精準，並且沈積均勻的助熔劑線或點在所要的位置上，接著並均勻地控制它們外流的情形。

基本上有兩種液體噴射模式。第一種是藉由施加相當高的壓力到液體上，但是這個狀態的初始階段是在較低壓力情況，如此以達到液體擴張的效果，這種方法特別對低動能的黏性液體有效。第二種模式是液體藉由動量轉移機制所噴射，活塞先被加速然後到一停止點，或是降到零速度狀態，如此可傳遞動量到液體上，最終使得液體分離。這種方法就像是替顆粒外加給能量做消散的動作，此方法適合用在高度與中度黏性液體(1E3到1E5 cps)。

在助熔劑噴射時有幾個因素會決定它的品質與一致性。在製造環境中，製程的穩健性(robustness)及噴灑量的控制是非常重要的。

液體壓力：助熔劑的黏性是一項影響液體噴射所需壓力的因素，如高動能的黏性液體需要較高的液體壓力。對非常低黏性的助熔劑而言，液體壓力對助熔劑的噴灑量有很大的影響力。對較高黏性的液體而言，這種影響是比較低的，因此它的作用只是將液體送入噴射腔中。

閥的開啟時間：同樣的趨勢可以在這個參數上看到。閥開啟的時間越長，越多液體會洩出。對高黏性助熔劑而言，閥的開啟時間長會污染噴嘴尖端。

噴灑間距：這是指噴嘴尖端到基板表面的距離。這個間距決定助熔劑到達表面時的點寬。間距越大，點寬就越寬。

同軸空氣輔助：此參數的主要目的是在液體射出噴嘴前將它原子化。液體的流率會決定原子化的程度及助熔劑散開的程度。

X-Y噴頭速度：這與噴頭相對於基板表面的運動有關，會決定助熔劑的層厚。速度越快，助熔劑層就越薄，而速度越慢，助熔劑層就越厚。

結論
助熔劑噴射法的確是一個取代其他助熔劑製程的可行方案，如針腳轉移法、模版印刷法、超音波噴灑法及晶片浸濕法。它不需接觸基板的製程，快速而且可靠。當覆晶技術的使用增加時，當封裝上封裝(package-on-package，PoP)及封裝中封裝(package-in-package，PiP)等製程變的普通時，助熔劑噴射法可能會變成所有助熔劑塗佈法的標準技術。SST-AP/Taiwan

* DispenseJet®

致謝
作者感謝Robert Ciardella指引本研究的方向，同時也感謝George Vastola, Tom Chang, Brad Perkins, 以及 Richard Zakrajsek在實驗工作以及資料取得上的辛勞。

作者
Horatio Quinones，主任科學家。Wesley W. Walters，Win3 Relationships商業開發經理。聯絡方式：Asymtek Headquarters, 2762 Loker Avenue West, Carlsbad CA；聯絡電話：760/930-3374、760/930-7468；電子郵件信箱：hquinones@asymtek.com、wwalters@asymtek.com。

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