系統級封裝(SiP)組裝技術與錫膏特性

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

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

為了在SiP 應用中得到一致的優異細間距印刷性能，錫膏的特性如錫粉尺寸、助焊劑系統、流變性、坍塌特性和鋼網壽命都很重要，都需要被仔細考慮。合適的鋼網技術、設計和厚度，配合印刷時使用好的板支撐系統對得到一致且優異的錫膏轉印效率也是很關鍵的。回流曲線需要針對不同錫膏的特性進行合適的設計來達到空洞最小化。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鍵。從使用3 號粉或者4 號粉的傳統表面貼裝錫膏印刷發展到更為復雜的使用5、6 號粉甚至7 號粉的SiP 印刷工藝。新的工藝鋼網開孔更小且鋼網厚度更薄，對可接受的印刷錫膏體積的差異要求更為嚴格。

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。有些廠家已經開始嘗試50 μm 的焊盤間隙。為了在如此有挑戰的條件下達到優異和一致的印刷表現，除了良好的印刷機設置及合適的鋼網技術以外，為錫膏選擇正確的錫粉尺寸、助焊劑系統、流變性和坍塌特性就很關鍵。

1 錫膏

1.1 錫粉

錫粉尺寸根據IPC J-STD-005A 標準規定的類型來分類，如表1 所示，介紹了電子行業和半導體行業所使用不同尺寸的錫粉。盡管SMT 中使用的3 號、4 號、5 號粉用量仍然在增長，但一些封測廠和公司已經在SiP 封裝中的01005 元件上使用6 號粉；在使用008004 元件的下一代封裝中，6 號粉和7 號粉都在考慮的范圍內。圖1 顯示了5 號、6 號和7 號粉的SEM 照片。

表1 按照IPC J-STD-005A 標準的錫粉尺寸分布表 μm

圖1 5 號、6 號及7 號粉的掃描電鏡圖像

行業基本的指導方針是：為達到一致的錫膏印刷表現來選擇正確的錫粉尺寸——使得鋼網開口寬度能容納至少5～6 顆錫粉（錫粉尺寸范圍內大的顆粒）是很重要的。根據這個規則，表1 中列出了針對每種錫粉尺寸推薦的最小鋼網開孔。

選用更小的錫粉尺寸的另外一個問題是錫粉表面積的增加。如表2 所示，當錫粉尺寸從3 號粉減小為7 號粉，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的助焊劑活性，或者助焊劑有更好的氧氣阻擋能力來保護錫粉表面不被氧化[2]。因此，選擇設計合理的能配合細粉的助焊劑和選擇氧化度低的錫粉很重要。這些因素可以增強細間距錫膏的穩定性，包括存儲壽命、鋼網壽命和潤濕。過高的活性劑水平也同樣會讓錫膏穩定性下降，所以助焊劑配方是很復雜的。

表2 錫粉尺寸及鋼網開孔尺寸對照表

1.2 助焊劑系統

助焊劑有不同類型。一般來說有水溶型助焊劑、標準免洗型助焊劑、還有最近被大規模使用的超低殘留(ULR)免洗型助焊劑（特別是用于半導體封裝中）。表3 對不同助焊劑系統進行了對比[4]。

目前，大多數SiP 應用都使用水溶型助焊劑系統，助焊劑殘留會在回流之后用水清洗干凈，接下來就是烘干和注塑工序。隨著微型化趨勢的繼續，某些SiP 應用很快就會遇到瓶頸：在焊點間隙和元件高度非常小的時候很難實現有效的清洗，這時就有必要使用超低殘留免洗錫膏。這種新的錫膏節省了所有清洗和化學工藝費用，并減少了元件翹曲和循環時間。

表3 不同助焊劑系統的比較

1.3 錫膏流變性

減小錫膏中錫粉的顆粒尺寸會增加黏度，因為助焊劑本身是觸變性的。鋼網印刷中使用的錫膏是一種低屈服應力剪切稀化的觸變性材料，其流變性是由助焊劑系統和錫粉一起控制的。錫膏的流變性控制了錫膏開孔填充性能、錫膏從鋼網到基板的轉印效率以及印刷后錫膏沉積的形狀。這些是決定錫膏優異印刷性能的關鍵。

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方向進行擴展。錫膏內部的屈服應力能夠阻止坍塌。過高的金屬含量會給錫膏一個非常高的屈服應力，使錫膏不能良好地填充鋼網開孔以及脫模。因此，針對印刷工藝進行金屬含量的優化是很重要的，并為多種因素所驅動。

1.5 錫膏的鋼網壽命

擁有鋼網壽命長的錫膏對降低長時間印刷中的板與板之間差異很重要。一般來說，4～8 h 的鋼網壽命對大規模生產是必要的。

2 印刷試驗

在該研究中，設計了不同錫膏、治具配置和鋼網開孔尺寸的幾種搭配方式。對使用不同助焊劑和不同顆粒尺寸錫粉的3 種錫膏樣本進行了研究。同時通過比較使用平臺和真空的板支撐系統，試驗了是否可以單獨使用平臺支撐來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在不同開孔尺寸下的印刷結果。

2.1 測試板

測試板是特別設計用來模擬典型的基板，237 mm（長），62 mm（寬），0.5 mm（厚）(如圖2 所示)。在測試板上有兩個焊盤的陣列。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 系統級封裝測試板

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方向。焊盤表面鍍層為鎳金(ENIG)和非綠漆設限型(NSMD)。測試板上也有01005 的焊盤，但這不是本次研究的關注點。

2.2 錫膏樣本

在印刷測試中選擇了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 號和7號錫粉。因為更細的粉黏度更高，因此7 號粉的錫膏對金屬含量進行了微調來降低黏度，使其達到和6 號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 鋼網設計

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

圖4 開孔尺寸設計

表5 開孔尺寸及面積比對照表

3.1 設備和治具配置

●DEK Horizon 印刷機

●Koh Young 錫膏檢測儀

●60°角的300 mm（12 英寸）刮刀

●真空支撐

●平臺支撐

3.2 印刷參數

印刷速度在所有的試驗中是固定不變的，刮刀壓力在每一個試驗中調整到使用最小壓力，即，剛好使鋼網表面刮干凈的壓力（見表6）。使用最小壓力在連續印刷中非常關鍵，過大的壓力會使印刷表面因為刮刀壓力而移動。擦拭頻率設定為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設置

未完待續