倒装芯片技术是一种通过焊盘上的焊料凸点，将集成电路芯片和微电机系统（IC，MEMS）等半导体器件与外部电路进行互联的方法。40 多年前，IBM 和 Delco 开创出初代倒装芯片技术。IBM 的 C4 技术使用蒸发方法将焊料沉积在芯片表面，通常产生 200-250μm 的球形凸起。随着技术不断进步，此后的凸点高度、凸点直径和节距日渐缩小。如今，每块裸芯片用到 25000 个凸点。而预计在未来一两年内（本文首次发表于2022年），这个数字将增加到50000到60000个。

另一种越来越受欢迎的凸点形式是铜柱凸点。采用铜柱技术的产品在单位表面积上可以实现更大的互连。倒装芯片技术成本更低，封装密度更高，能在保持甚至提高电路可靠性的同时展现更佳的性能，也更适合高I/O密度，因此倒装芯片在电子行业的使用越来越普遍。然而，有研究表明焊料凸点技术在小于125μm间距下有局限性，因为它在制造和组装中面临极大的挑战。随着间距变小，间距的纵向高度及焊点的可靠性都会降低，短路的风险也会增加。因为随着凸点高度变得更矮，助焊剂残留物在回流焊过程中的排气面积也将更小。因此，找到有效去除铜柱倒装芯片中助焊剂残留的方案十分迫切。

助焊剂残留物影响可靠性的方式有二，尤其是对于底部填充胶工艺。其一，如果焊料凸点、板子或芯片上存在助焊剂残留物薄膜，那么底部填充胶和表面之间的界面附着力会大大降低。一旦底部填充区域受到热冲击、湿度或其他因素的压力，底部填充胶就会从表面分层，并且可以使用声学显微镜检测到间隙。其二，助焊剂残留通过阻碍底部填充材料的流动而影响可靠性。在凸点之间或芯片与板子之间的间隙中积聚的助焊剂残留物会使间隙缩小到底部填充胶无法流动或边缘流动得太快，从而封装空气并产生空隙。为确保底部填充胶无空隙，必须在所有表面上对底部填充胶进行均匀润湿。如果润湿不均匀，未固化的底部填充胶中的空隙可能会在以后转化为可靠性问题。

大多数铜柱倒装芯片仅使用去离子水去除助焊剂。然而，大量研究结果表明，水开始达到其清洗极限，使用水基清洗工艺更受青睐。原因之一是无铅焊料使用的增加对焊接温度提出了更高要求，随即会带来更多的烧焦助焊剂。当它们开始产生不溶于水的污染物时，这些助焊剂更难去除。DI水对电路板表面的非离子残留物的溶解能力十分有限，甚至毫无效果。

其次，清洗水溶性助焊剂，尤其是组件下的助焊剂变得越来越困难。换言之，水的表面张力超过70达因/厘米，所以凸点间距小于40μm的情况下，水根本无法去除助焊剂残留物。

为了探究使用去离子水和专门设计的水基清洗剂去除倒转芯片助焊剂残留会有什么不同，ZESTRON通过多组试验开展了对比研究。清洗完成后，ZESTRON采用了包括IC离子色谱，SEM/EDS扫描电镜元素分析，FTIR傅里叶红外变换光谱分析的多种分析手段开展清洁度验证，同时采用TC高低温循环测试，HTSL高温工作环境寿命测试，以及MSL湿敏气密性测试等手段开展可靠性验证。研究结果证实：使用DI水难以持续且有效地去除低底部间隙内的焊剂残留物，尤其是在清洗凸点间距为 150μm 且铜柱高度为 30μm 的铜柱封装时。在3.0 fpm时，使用DI水所清洗的板子无法通过热循环测试、HTSL和MSL-3测试。此外，在开展SEM/EDS/FTIR分析时，能看到芯片背面和金焊盘上存在碳类残留物。离子色谱测试结果显示离子种类水平很高。相比之下，使用水基清洗剂清洗的板子通过了热循环测试、HTSL和MSL-3 测试。水基清洗剂在芯片组件下的封装器件以及金焊盘上都表现出更好的清洗性能。在开展SEM/EDS/FTIR分析时，仅可见非常少量残留物。离子色谱测试结果中离子种类水平非常低。

如您对ZESTRON本项研究感兴趣，欢迎前往上海世博展览馆参加4月24日举行的SMTA华东高科技技术研讨会，ZESTRON经验丰富的清洗技术工程师将在线下分享《去除铜柱凸点倒装芯片上焊剂的研究》。