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先进封装与绿色环保双重挑战下,贺利氏全新材料如何直击痛点?

来源:爱集微

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2022-12-02

随着用户对电子产品的功能性、可靠性要求不断的提高,对于系统中集成的芯片提出了不断优化的要求。为此,芯片封装过程中相关材料、化学品及其辅材的性能、可靠性和经济性就成了市场所关注的焦点,随着先进封装成为主流,更对相关电子材料提出了更严苛的要求和挑战。

进入后摩尔时代,先进封装对于提升芯片性能带来的优势愈加显著,从WLP(晶片级封装)逐渐向三维发展。目前主流的先进封装包括SiP、WL-CSP(晶圆级封装)、FOWLP(扇出封装)、eWLB(嵌入式晶圆级球栅阵列)、PiP(堆叠组装)、PoP(堆叠封装)等,2.5D封装和3D封装技术也逐步成熟并进入商用,近来Chiplet概念更是大放异彩。

先进封装趋势下,封装材料面临哪些挑战?

“先进封装行业在小型化、热管理和降低成本方面面临日益增长的需求。”贺利氏电子先进封装焊料全球产品经理张瀚文指出,

张瀚文-贺利氏电子先进封装焊料全球产品经理

“一是元器件小型化、高密度化、多功能化,系统级封装(SiP)中的元件数量不断增加;二是更小空间,更多电子功能导致更高功率密度功率损耗带来的热量亟需消散,因此热管理、温度控制问题越来越受关注;三是客户越来越注重系统的Total cost of ownership (TCO,总体拥有成本) ,而不在一味单纯追求低成本。这些挑战都对先进封装所需的电子材料带来更大挑战。”

张瀚文解释,首先,随着芯片复杂度提升,芯片封装时焊盘数量也变得越来越多,同时随着元器件尺寸缩小,焊盘、焊料凸点间距和尺寸也越来越小,为此所需的焊锡膏、焊粉也要更细。其次,在热管理趋势下,要求焊锡膏、焊粉等封装材料的热性能要求更高,这表现在两方面。一是在封装流程中有多次回流焊的过程,通常所使用的锡铜合金焊料,回流焊温度在250~260℃左右,这个温度会导致空洞,元件、基板或芯片产生翘曲等不良反应,从而导致可靠性和良率问题,为此低温金属或其他新型材料焊料的开发提上了日程。二是封装好的芯片在使用过程中,比如处理器、射频、功放等器件会产生大量热量,进而影响器件可靠性和使用寿命,对器件散热材料的需求大大提升;最后,缩短新品上市时间是电子厂商保持竞争力的重要战略优势之一,封装工序的简化、周期缩短,使良率得以提升无疑可以大大提升成品产能,减少了各方面风险,也就降低了TCO,而并非简单的降低价格。

不难看出,先进封装大潮下,芯片客户亟需封装连接材料的更大创新,以打造可靠性更高的系统封装的电子器件。据悉,先进封装的关键材料包括焊锡膏(Solder Paste)、底部填充胶(Underfill)、高性能热界面材料(TIM)、临时键合胶(TBA)、光敏性聚酰亚胺(PSPI)、光敏树脂(BCB)等,对材料的力、热、电等各方面性能均有严格要求,保障芯片性能与可靠性。

那么,当前封装材料导致元器件可能发生的缺陷或失效问题有哪些呢?张瀚文以焊锡膏举例说,在各类先进封装过程中,可能由锡膏导致的失效包括空洞、锡珠飞溅、爬锡(抽芯)、桥连、芯片移位等,此外,客户进行钢网印刷工序可能要连续8~10小时长时间工作,锡膏性能在此过程中出现下降也会导致器件可靠性问题。

在一颗封装完成的芯片中,囊括了来自不同供应商的各种材料,在用户不断追求更高芯片性能的趋势下,对材料、接口、工艺和技术的持续全盘优化十分必要,才能应对材料领域前所未有的挑战。“面对先进封装用户痛点,贺利氏正加快推陈出新,带来了很多深受行业信赖的封装产品和解决方案,凭借丰富的材料知识和领先技术,贺利氏将不断为客户提供更多创新技术和解决方案,帮助他们在快节奏的竞争市场脱颖而出。”张瀚文强调。

贺利氏推出全新焊料,助力后摩尔时代半导体技术推进

不难看出,材料层面的创新和工艺的进步,已成为后摩尔时代的半导体产业的关键推动力。先进封装领域所使用的SiP封装通常需要采用细间距印刷,并且要求焊锡膏更易脱模。为此焊锡膏已成为封装行业至关重要的材料之一,其性能和创新直接影响着成品芯片的质量。

据悉,焊锡膏是金属合金粉末与助焊剂的混合物,不同的比例代表着不同的配方,可以通过模版印刷法、针头点胶法、直接浸渍法或喷射法涂覆于基板上。

5G、人工智能、汽车和高性能计算等应用的蓬勃发展,对先进封装领域面临日益增长的需求和挑战,亟需材料解决方案的创新。为应对上述挑战,贺利氏最近推出了全新的水溶性7号粉焊锡膏Welco™ AP520和水溶性助焊剂AP500X等解决方案,以满足超小间距尺寸印刷工艺的需求。

张瀚文介绍,Welco™ AP520 7号粉水溶性印刷锡膏,专门针对系统级封装应用中的细间距无源器件和倒装芯片贴装而设计,可在最小90um的细间距(55um钢板开孔和35um开孔间隔)应用,具有绝佳脱模效能,并且可操作时间长,无飞溅或锡珠,超低空洞率。利用Welco™ AP520 T7锡膏针对无源器件和倒装芯片焊盘的一次性印刷可以成功取代助焊剂蘸取和基板预敷的制程步骤,从而简化SiP封装加工步骤、减少资本支出和材料成本,同时大幅降低冷焊或焊点不完整缺陷,消除因基板翘曲和/或倒装芯片放置不均导致的焊接不完整等缺陷。

“AP520得益于贺利氏专有的Welco™焊粉技术,能够有效降低表面氧化物,使得回流过程中的空洞大幅降低。其中助焊剂的独特配方可有效防止飞溅。”张瀚文指出,“除了当前推出的7号粉技术,更细的8号、9号焊粉也已在研发中,以满足未来超细间距应用要求的产品。”

水溶性零卤素粘性助焊剂AP500X则适用于超细凸点间距(60µm pitch 或更小)倒装芯片焊接和BGA封装,具有出色的润湿性能,适用于各种焊盘,例如OSP铜焊盘和化镍金焊盘,可操作时间超过12小时,回流后可用去离子水轻松清洗,能够有效避免冷焊、爬锡(抽芯)、芯片移位、空洞、填充底胶界面脱层等缺陷,实现零缺陷超细凸点间距倒装芯片焊接。

当前AP520和AP500X已开始进行测试、推广,预计将于今年底或明年初进入大批量生产。

值得一提的是,为应对ESG绿色可持续发展需求,贺利氏推出了采用100%再生黄金制成的键合金线和100%再生锡制成的Welco™系列焊锡膏版本。“我们使用的黄金和锡供应商均遵循RMI和IS014021:2016标准,例如使用回收锡,可比使用开采锡减少近800倍的碳排放[ Report on the Environmental Benefits of Recycling, Centre for Sustainable Production & Resource Efficiency (CSPRE)]。目前已有部分全球电子产品领导厂商提出2030年起全部使用回收再利用材料,预计这将是未来大势所趋。”张瀚文解释,“使用回收金或回收锡,并不会使产品性能有任何差异。一方面我们有严格的原材料监管体系和检测标准,保证与非回收版本表现一致,用户从非回收版本材料切换到回收版本的过程不会出现任何问题;另一方面当前回收材料工艺没有完全成熟,产量不高,因此回收版本成本相比会高一些,预计在未来几年内这一问题也将得到解决。”

展望未来,张瀚文解释强调,先进封装对材料的需求将越来越严苛,而客户对环境可持续发展、绿色制程的要求也会越来越多,贺利氏将继续以领先的材料解决方案推动先进半导体材料的未来发展。

责编: 爱集微

朱秩磊

作者

微信:AileenZhu

邮箱:zhuzl@lunion.com.cn

作者简介

爱集微资深分析师,专注半导体产业。邮箱zhuzl@lunion.com.cn

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