一、晶圓級封裝常用焊料類型

在晶圓級封裝中，常用的焊料類型有多種。傳統的釬焊料中，錫鉛共晶釬料合金曾是最主要的類型，它具有成本低、強度高、工藝性能好等性質。然而，由于鉛及鉛的化合物有毒性，對環境和人體危害極大，目前國際標準要求不得含有鉛、汞等有毒有害物質，所以無鉛焊料成為發展趨勢。 目前主要的無鉛焊料以Sn（錫）為主，添加能產生低溫共晶的Ag（銀）、Zn（鋅）、Cu（銅）、Sb（銻）、Bi（鉍）、In（銦）等元素，主要集中在Sn - Zn、Sn - In、Sn - Bi、Sn - Sb、Sn - Cu、Sn - Ag等體系。這些焊料體系各自具有不同的特性，例如：

·         Sn - Ag系焊料：具有較好的機械性能，包括較高的剪切強度等，在一些對焊點可靠性要求較高的晶圓級封裝應用中較為適用。它的熔點相對合適，并且與基板之間能形成較好的連接。

·         Sn - Cu系焊料：成本相對較低，同時也能提供較好的焊接性能，在一些對成本較為敏感的晶圓級封裝生產中可能會被選用。

二、晶圓級封裝適用的焊料特點

（一）良好的潤濕性

1. 潤濕性的概念 潤濕性是指當兩種非混相流體同時呈現于固相介質表面時，某一流體相優先潤濕固體表面的能力。從物理角度分析，焊料潤濕包括焊料的熔化、表面張力的不平衡、焊料擴散、基板材料熔化、金屬間化合物的生成、以及由于溫度梯度和濃度不均勻的Marangoni效應等過程。在晶圓級封裝中，焊料需要良好地潤濕芯片和基板表面，以確保形成可靠的連接。

2. 影響潤濕性的因素及對晶圓級封裝的意義

o    焊料與釬焊金屬成分：如果焊料與釬焊金屬成分相互作用不佳會導致潤濕性差，對于這種情況，可加入能與釬焊金屬形成共同相的第三物質來改善潤濕性。在晶圓級封裝中，不同的芯片和基板材料需要與之相匹配的焊料成分，以保證良好的潤濕效果。例如，如果芯片的金屬層是某種特殊合金，就需要選擇能與該合金有良好相互作用的焊料成分。

o    溫度：液體表面張力F與溫度T呈特定關系，隨著溫度的升高，液體焊料與焊料金屬界面張力降低，這有助于提高焊料的潤濕性。但并非加熱溫度越高越好，過高的溫度會造成焊料的流失，即流散到不需要釬焊的地方，還會引起釬焊金屬晶粒長大、溶蝕等現象。所以在晶圓級封裝過程中，需要選擇合適的釬焊溫度，既能保證焊料有良好的潤濕性，又不會產生不良影響。

o    焊劑：釬焊金屬表面氧化膜的存在會使液態焊料不能潤濕它們。使用焊機可以清除焊料和釬焊金屬的表面氧化膜，改善潤濕。焊機的作用除能清除表面氧化物使固態 - 液態界面上的界面張力減小外，還能減小液態焊料的表面張力。在晶圓級封裝中，合適的焊劑使用對于確保焊料的潤濕性至關重要。

o    環境氣氛：環境氣氛也可以改變焊料的潤濕性能。例如某些焊料在回流爐中使用氮氣保護氣氛相較于空氣中回流，可改善焊料的潤濕性能，真空環境也可改善潤濕。在晶圓級封裝的生產環境中，對環境氣氛的控制有助于提高焊料的潤濕效果，進而提高封裝質量。

（二）合適的物理性能

1. 導電率

o    在晶圓級封裝中，焊料的導電率直接影響著芯片與基板之間的電信號傳輸。如果導電率低，會導致信號傳輸延遲、衰減等問題。例如在高速信號傳輸的電路中，如5G通信相關的芯片封裝，需要使用導電率高的焊料，以確保信號能夠快速、準確地傳輸。

2. 熱膨脹系數

o    芯片和基板在不同的工作溫度下會發生熱脹冷縮。如果焊料的熱膨脹系數與芯片和基板不匹配，在溫度變化時，就會在焊點處產生應力。長期的熱循環可能導致焊點開裂，從而影響封裝的可靠性。例如在一些高溫工作環境下的芯片，如汽車發動機控制芯片的晶圓級封裝，就需要選擇熱膨脹系數與芯片和基板相匹配的焊料。

（三）良好的抗氧化和抗輻射性能

1. 抗氧化性能

o    在晶圓級封裝過程中以及封裝后的使用過程中，焊料可能會接觸到氧氣。如果焊料抗氧化性能差，表面會被氧化，形成氧化層會影響焊料的性能，如降低潤濕性和導電性等。例如在一些長期暴露在空氣中的電子設備，如戶外傳感器芯片的晶圓級封裝，需要抗氧化性能好的焊料，以保證封裝的長期穩定性。

2. 抗輻射性能

o    在一些特殊應用場景下，如航空航天、核能相關的芯片晶圓級封裝，芯片可能會受到輻射的影響。抗輻射性能好的焊料能夠在輻射環境下保持其性能穩定，不會因為輻射而發生性能劣化，從而保證芯片封裝后的正常工作。

（四）加工成型性好與可焊接性能好

1. 加工成型性

o    在晶圓級封裝中，焊料可能需要被加工成特定的形狀，如凸點等形式。良好的加工成型性意味著焊料能夠容易地被制成所需的形狀，并且在加工過程中不會出現裂紋、變形等缺陷。例如在制作微小的焊料凸點時，需要焊料能夠精確地成型，以滿足晶圓級封裝的高精度要求。

2. 可焊接性能

o    可焊接性能好的焊料能夠在適當的焊接工藝條件下，與芯片和基板牢固地焊接在一起。這包括在不同的焊接方法（如回流焊等）下都能表現出良好的焊接效果。如果可焊接性能差，可能會出現虛焊、漏焊等問題，嚴重影響晶圓級封裝的質量。

（五）良好的力學性能

1. 剪切強度

o    焊點的剪切強度是衡量焊點在受到剪切力時抵抗破壞的能力。在晶圓級封裝中，芯片在使用過程中可能會受到各種外力的作用，如在便攜式電子設備受到碰撞、振動時。足夠的剪切強度能夠保證焊點不會輕易斷裂，維持芯片與基板之間的連接。

2. 蠕變抗力

o    蠕變是指在一定溫度和應力作用下，材料緩慢地發生塑性變形的現象。在長時間的工作過程中，特別是在高溫環境下，焊料如果蠕變抗力差，焊點會發生變形，從而影響芯片與基板之間的連接可靠性。例如在一些高溫且長時間工作的工業控制芯片的晶圓級封裝中，需要蠕變抗力好的焊料。

3. 等溫疲勞抗拉力

o    在芯片的工作過程中，可能會經歷多次的溫度循環和應力變化，這就要求焊料具有良好的等溫疲勞抗拉力。如果焊料的等溫疲勞抗拉力不足，經過多次的溫度和應力循環后，焊點會出現疲勞裂紋，最終導致連接失效。

三、晶圓級封裝焊料的選擇因素

（一）封裝類型的要求

1. 扇入型和扇出型晶圓級芯片封裝（Fan - In/Fan - Out      WLCSP）

o    在扇入型晶圓級芯片封裝中，由于封裝尺寸相對較小，對焊料的精度要求較高。需要選擇能夠精確成型、在小尺寸下仍能保證良好連接性能的焊料。例如，一些具有良好加工成型性的焊料，能夠制成微小的焊料凸點，滿足扇入型封裝的需求。

o    扇出型晶圓級芯片封裝可能會涉及到更多的信號傳輸線路和更復雜的電路布局，對焊料的導電率、熱膨脹系數等物理性能要求更為嚴格。需要選擇能適應復雜電路環境，保證信號傳輸質量和熱穩定性的焊料。

2. 重新分配層（RDL）封裝、倒片（Flip Chip）封裝及硅通孔（TSV）封裝

o    在重新分配層封裝中，焊料需要與重新分配層的金屬材料有良好的兼容性。因為重新分配層在芯片的信號重新布局和連接中起著關鍵作用，焊料與該層金屬的良好結合能夠確保信號的準確傳輸。

o    倒片封裝中，芯片是倒扣在基板上進行焊接的，這種封裝方式對焊料的潤濕性和力學性能要求較高。良好的潤濕性能夠確保芯片與基板之間的全面接觸，足夠的力學性能（如剪切強度等）可以保證在倒扣的情況下焊點能夠承受芯片的重量和可能受到的外力。

o    硅通孔封裝涉及到芯片內部的垂直連接，對焊料的填充性能有要求。焊料需要能夠充分填充硅通孔，并且在填充過程中不會產生孔洞等缺陷，以保證垂直方向的電連接和機械穩定性。

（二）成本因素

1. 原材料成本

o    不同的焊料體系其原材料成本有很大差異。例如，Sn - Cu系焊料成本相對較低，因為銅的價格相對較為便宜。在一些對成本比較敏感的晶圓級封裝生產中，如果對焊料的性能要求不是非常高，可能會優先考慮使用Sn - Cu系焊料。而像Sn - Ag系焊料，由于銀的價格較高，會使焊料的原材料成本上升，在大規模生產中可能會增加生產成本。

2. 加工成本

o    有些焊料可能需要特殊的加工工藝，這會增加加工成本。例如，某些高熔點的焊料在焊接過程中需要更高的溫度和更長的加工時間，這會消耗更多的能源，增加加工成本。而一些容易加工成型的焊料，如具有良好的流變性的焊料，在加工過程中可以更快速地制成所需的形狀，減少加工時間和成本。

（三）與其他材料的兼容性

1. 與芯片材料的兼容性

o    芯片可能由多種材料構成，如硅、金屬層（如鋁、銅等）等。焊料需要與芯片的這些材料有良好的兼容性。例如，如果芯片的金屬層是鋁，就需要選擇不會與鋁發生過度化學反應，并且能夠良好潤濕鋁表面的焊料。如果兼容性不好，可能會導致焊點的可靠性降低，甚至出現腐蝕等問題。

2. 與基板材料的兼容性

o    基板材料也有多種類型，如陶瓷基板、有機基板等。不同的基板材料對焊料的要求不同。例如，陶瓷基板具有較高的熱導率和穩定性，與陶瓷基板兼容的焊料需要能夠適應其表面特性，并且在熱膨脹系數等方面與之匹配。有機基板則可能對焊料的潤濕性和化學穩定性有特殊要求，以防止在使用過程中出現分層等問題。

（四）環境要求

1. 工作溫度范圍

o    如果芯片工作在高溫環境下，如汽車發動機控制芯片，就需要選擇能夠在高溫下保持性能穩定的焊料。這種焊料需要具有較高的熔點、良好的熱穩定性和蠕變抗力等性能。相反，如果是在低溫環境下工作的芯片，如一些極地環境監測設備中的芯片，焊料需要能夠在低溫下保持良好的韌性和導電性，防止在低溫下出現脆化等問題。

2. 環境氣氛

o    在一些特殊的環境氣氛中，如潮濕、腐蝕性氣體環境下，需要選擇具有良好耐腐蝕性能的焊料。例如在海洋環境監測設備中的芯片晶圓級封裝，焊料需要能夠抵抗海水蒸發產生的潮濕和鹽霧腐蝕。在一些可能存在化學污染的環境下，焊料也需要具備相應的化學穩定性。

四、晶圓級封裝中優質焊料推薦

在晶圓級封裝中，Sn - Ag - Cu（SAC）系焊料是一種較為優質的焊料。

1. 性能優勢

o    良好的力學性能：SAC系焊料具有較高的剪切強度，能夠在芯片受到外力時保證焊點的連接可靠性。其蠕變抗力也相對較好，在長時間的工作過程中，特別是在高溫環境下，能夠有效抵抗焊點的變形。例如在一些高性能計算機芯片的晶圓級封裝中，芯片在高速運算過程中會產生熱量并且可能受到機箱內部輕微的振動，SAC系焊料的良好力學性能可以確保芯片與基板之間的穩定連接。

o    潤濕性較好：SAC系焊料對常見的芯片和基板材料具有較好的潤濕性。它能夠在適當的焊接溫度下，在芯片和基板表面很好地鋪展，形成均勻的焊點。這有助于減少虛焊等焊接缺陷的出現。

o    合適的物理性能：在導電率方面，SAC系焊料能夠滿足芯片與基板之間的電信號傳輸要求。其熱膨脹系數也能與多種芯片和基板材料較好地匹配，減少在溫度變化時焊點處的應力產生。例如在智能手機芯片的晶圓級封裝中，SAC系焊料可以適應手機在不同使用環境下的溫度變化，保證芯片的正常工作。

o    抗氧化和抗輻射性能：SAC系焊料具有一定的抗氧化性能，在封裝后的使用過程中，能夠抵抗氧氣的侵蝕，保持焊點的性能穩定。在一些特殊應用場景下，如航空航天領域的芯片晶圓級封裝，雖然其抗輻射性能不是非常突出，但也能滿足一定程度的抗輻射要求，并且可以通過其他防護措施與之配合來確保芯片在輻射環境下的正常工作。

2. 廣泛的適用性

o    SAC系焊料適用于多種晶圓級封裝類型。無論是扇入型還是扇出型晶圓級芯片封裝，它都能夠提供可靠的焊接性能。在重新分配層封裝、倒片封裝和硅通孔封裝中，也能與相關的材料和工藝較好地配合。例如在扇出型晶圓級芯片封裝中，SAC系焊料可以滿足復雜電路布局下的信號傳輸和連接要求，確保封裝的質量和可靠性。

五、不同晶圓級封裝工藝所需焊料

（一）光刻（Photolithography）工藝相關

1. 工藝特點對焊料的要求

o    光刻工藝主要用于在晶圓表面形成精確的圖案。在這個過程中，焊料需要能夠承受光刻過程中的化學試劑和光照等條件。例如，在光刻膠的涂覆、曝光和顯影過程中，焊料不能與光刻膠或其他化學試劑發生不良反應，否則會影響光刻圖案的精度和質量。同時，焊料的表面平整度也很重要，因為不平整的焊料表面可能會導致光刻圖案的失真。

2. 適用的焊料類型

o    一些具有良好化學穩定性的焊料比較適合光刻工藝相關的晶圓級封裝。例如，Sn - Sb系焊料在光刻工藝環境下表現出較好的穩定性。它能夠在光刻過程中保持自身的性能，不會因為化學試劑的侵蝕而發生性能劣化，從而保證后續的焊接和封裝工作的順利進行。

（二）濺射（Sputtering）工藝相關

1. 工藝特點對焊料的要求

o    濺射工藝是通過離子轟擊靶材，使靶材原子沉積在晶圓表面形成薄膜。在這個過程中，焊料需要能夠與濺射形成的薄膜有良好的結合性能。因為濺射形成的薄膜可能是后續焊接的基礎，如果焊料與薄膜結合不好，會導致焊點的附著力不足。此外，焊料在濺射過程中的抗濺射損傷能力也很重要，如果焊料容易被濺射離子破壞，會影響其性能。

2. 適用的焊料類型

o    Sn - Cu系焊料在濺射工藝相關的晶圓級封裝中有一定的優勢。它能夠與濺射形成的銅薄膜等有較好的結合能力，并且具有一定的抗濺射損傷能力。在一些需要在濺射銅薄膜上進行焊接的晶圓級封裝應用中，Sn - Cu系焊料可以提供較好的焊接效果。

（三）電鍍（Electroplating）工藝相關

1. 工藝特點對焊料的要求

o    電鍍工藝是在晶圓表面通過電化學方法沉積金屬層。對于焊料來說，在電鍍過程中，需要與電鍍液有良好的兼容性。如果焊料與電鍍液發生化學反應，會影響電鍍層的質量和均勻性。同時，焊料的導電性在電鍍工藝中也很重要，因為良好的導電性可以確保電鍍過程的順利進行，使焊料能夠均勻地沉積在晶圓表面。

2. 適用的焊料類型

o    Sn - Ag系焊料在電鍍工藝相關的晶圓級封裝中較為適用。其較高的導電性能夠滿足電鍍工藝的要求，并且能夠與電鍍過程中的化學環境較好地兼容，保證電鍍層的質量。例如在一些需要在晶圓表面電鍍一層銀膜然后進行焊接的應用中，Sn - Ag系焊料可以與電鍍銀膜形成良好的結合，提高焊點的質量。

（四）光刻膠去膠（PR Stripping）工藝相關

1. 工藝特點對焊料的要求

o    光刻膠去膠工藝會使用化學試劑去除晶圓表面的光刻膠。在這個過程中，焊料需要能夠耐受去膠試劑的腐蝕。如果焊料被去膠試劑腐蝕，會影響其性能和焊點的質量。同時，焊料在去膠后的表面狀態也很重要，需要保持清潔和平整，以便后續的焊接操作。

2. 適用的焊料類型

o    Sn - In系焊料在光刻膠去膠工藝相關的晶圓級封裝中有較好的表現。它能夠在去膠過程中抵抗去膠試劑的腐蝕，保持自身的性能穩定。在去膠后，其表面能夠保持較好的狀態，有利于后續的焊接工作。

（五）金屬刻蝕（Metal Etching）工藝相關

1. 工藝特點對焊料的要求

o    金屬刻蝕工藝是通過化學或物理方法去除晶圓表面

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