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无铅化挑战组装和封装材料
无铅化挑战组装和封装材料
用镂板印刷或电镀制作的晶圆凸点,显示了无铅在倒装芯片和芯片级封装和组装领域的可行性。无铅是90年代末期发自日本的信息,而今已经被欧洲联盟以严格的法律加以响应。铅的毒性已经广为人知,人们虽然仍在争论电子元件中的铅是否真的对人类和环境造成威胁,但人们已经更为关注废弃的电子器件垃圾中铅的渗透并产生的污染。另外,含铅器件的再利用过程中有毒物质的扩散也是一个关注的热点。大多数可行的替换方案并不是类似于铅毒性的威胁,而是对环境的其它负面影响,例如,高熔点意味的高能耗。当然,使用先进的设备和新的回流焊温度设置在某种程度上也许有可能得到高熔点低能耗的效果。另外,如果用含银的材料来替代铅锡焊料,会产生另一个负面的对生态环境的影响,那就是需要大量开采和加工贵重的金属矿石。立法规定最后期限历经了数年的磋商和议论之后,现在有25个欧洲联盟成员国,已经在执行禁止在电子器件中使用铅的法律。2006年7月1月开始,所有用于欧洲市场的电子产品必须是无铅的,包括信息和通讯技术设备、消费类电子、家用电器等等。该项法律也规定了多项例外。用于服务器、存储器、以及特种网络设施的焊料,到2010前仍然可以含铅。另外,含铅量超过85%的焊料也不在此项规定之列。欧洲委员会还在启动一项针对更多免责的评估,比如用于高端PC处理器的倒装芯片封装的互连中的含铅焊料。大多数这种互连是将高度含铅的C4焊球。欧盟关于铅等危险物的限制原则是尽量替换铅,只有在“技术上无法替换”时才可以使用铅。指令的适用范围有时定义得也不太明确。例如,消费电子不可以用铅,而汽车电子可以,那么,汽车内的收音机怎么办?目前允许汽车收音机含铅,但是还有些类似情况仍然有待进一步裁决。欧联的无铅法律将影响全球的电子产业,一来是由于供应链的全球化,再者也是由于在其它国家已经开始有类似的法律。例如,中国已经提出了禁止同样物质的类似法律,而且最后期限也设定为2006年7月1日。为了实现无铅化,人们需要对倒装芯片封装、晶圆级封装、SMT和波峰焊进行广泛的材料研究和工艺评价。我们已经着手为板上倒装芯片和芯片级封装技术研究合适的材料和工艺。
超细间距焊膏和无铅焊料晶圆凸点制备需要的是6型焊膏,它能确保焊膏均匀,因而减小回流焊后凸点高度的改变。与PCB板上传统的SMT焊锡膏印刷相比,超细间隙焊膏的细小焊点,需要焊膏具有更高的粘性,对印刷性能、以及焊膏与模板的脱离有较大影响。增大的面积和体积比意味着焊料合金的氧化性增大,因而焊膏中氧化物含量较高,所以回流焊工艺需要氮气保护。相同的技术适用于SnPb37焊膏,也同样适用于三元或四元小间距焊膏。晶圆凸点的电镀镂板印刷的适用间距极限是150-200mm。对于间距小,凸点尺寸范围宽的高互连密度的情形,电镀技术是首选。Fraunhofer IZM采用了间距小于40mm的电镀工艺(图2)。国际半导体技术蓝图研讨会(ITRS)预测,随着倒装芯片技术的发展,其凸点间距将呈现减小趋势,对于高I/O芯片和高能芯片,减小的趋势是,从2002年的160mm减小到2010年的90mm,2016年更减小到70mm。电镀时,凸点高度的均匀性要求在
±1mm之内,这大大超过了镂板印刷的均匀性指标。这是由于模板材料厚度和激光切割的精度变化较大,而且在模板的开口处会有少量焊膏残留,其