研究動機

共晶錫鉛是在半導體製程中普遍使用的焊錫焊料所採用的材料。除了學校會 將此材料建立於物理、化學、機械性質資料庫之外，低成本的考量和較低溫度迴 焊製程等特性，均是被電子工業列為最廣泛使用的銲錫材料的原因之一。

電鍍植球、化學鍍法、錫膏印刷等製程都是為現行半導體封裝的技術中常用 於晶圓上製程凸塊。因錫膏印刷的成本低且適合大量快速生產，但常因機台內的 環境因子未有規格範圍的管控到最佳化導致凸塊形成異常，如空氣殘留在微小的 凸塊中形成孔洞(Void)(如圖 1.2-1 所示)、溫度變異導致使得凸塊變色(如圖 1.2-2 所 示)、尺寸變異(如圖 1.2-3 所示)等。

圖 1.2-1 錫球孔洞的 X 光照片

圖1.2-2 錫球變色的電子顯微鏡檢驗照片

圖1.2 -3 錫球尺寸異常的電子顯微鏡檢驗照片

在晶圓凸塊迴焊爐製程中，錫球形成的孔洞(void)、變色(discolor)、錫球尺寸 變異，在後段製程覆晶封裝接合後，會產生接合後導電性及內部應力和熱應力等 可靠性上的影響(如圖1-6)。本篇論文研究目為根據迴焊爐的原理以及對環境因子 特性的基礎，配合晶圓凸塊於迴焊爐製程中的參數變化討論熱盤溫度、抽風流量、

助焊劑流量對於(錫膏烘烤成錫球)凸塊的變化，改善晶圓級凸塊於迴焊爐製程中發 生錫球孔洞、錫球變色、錫球尺寸變異的產生。

第二章 晶圓級封裝凸塊製程簡介

2.1 電子封裝技術簡介

打從積體電路發明後就徹底改善人類生活的水準，隨著電子產品精密化，愈 來越多的電路被放進晶片內，進而促使微電子封裝加速被開發出來。封裝技術既 是指容納多個積體電路、半導體元器件的物理外殼，再將各種封裝材料(如陶瓷/

塑膠等)覆蓋於晶片(IC)外部，使其便於接合在印刷電路板上及保護晶片(IC)，進而 達到訊號傳遞、提供電源及散熱的功能與晶片的保護等作用，如下圖2.1-1所示。

引腳插入式 表面黏著型 圖2.1-1 封裝的型態與結構「27」

而提供電氣傳導路徑及晶片(IC)電路戶相連接的封裝主要有下列四種目的，如 圖2.1-2所示。

圖 2.1-2 晶片(IC)封裝的主要功能「27」

(1) 電源傳遞：晶片(IC)封裝的基本功能之一，為驅動所有電子產品的主要能源，

透過電源電力的傳送才能把所有的經過線路連接起來使晶圓上的 晶片發揮其功能。

(2) 訊號傳遞：透過電源電力的驅動把電路板上的元件連接之後，使各電子元件 發出訊號透過基板上的電路加以輸送到另一元件上，如下圖2.1-3

所示。

圖2.1-3 電子元件訊號傳遞「27」

(3) 散熱功能：為了避免晶片(IC)的工作溫度過熱而損毀，於封裝製程中添加上能 夠導熱的材料降低線路間傳遞產生的熱能，如下圖2.1-4所示。

(4) 保護功能：於晶片封裝過程中為避免精細的積體電路元件受到汙染以及容易 破碎的晶片天加上適當的機械保護元件，增加元件的保護措施，

如下圖2.1-4所示。

圖2.1-4 晶片散熱與保護「27」

2.2 晶圓級封裝與凸塊製程介紹

晶片尺寸構裝屬於晶圓級製程，也是半導體構裝技術的一種，最具代表性 的為CSP (Chip Scale Pakage)製程，它的封裝必頇在於一個面積不超過1.2倍並符 合晶片的規模，直接表面黏貼封裝。其特性具有低電感、高頻雜訊容易控制、

且外形極小等優點。如化學電鍍鍍上同柱在金屬層（UBM）的開孔上、錫膏印 刷成錫球黏附在金屬層（UBM）開孔上等，均是一種直接與晶片做結合的封裝 技術，如下圖2.2-1所示，其錫球直徑約為250µm~300µm，間距約400µm ~500µm。

圖2.2-1 晶圓級封裝示意圖「27」

晶圓級封裝不同於傳統焊線接合（Wire Bond）的方式如下圖2.2-2所示，不 必 額 外 冺 用 封 膠 來 保 護 晶 片 也 不 需 要 冺 用 金 線 把 晶 片 上 訊 號 連 接 至 基 板 (Substrate)上或導線架(Lead Frame)上，如下圖2.2-3所示，更不用提供基板作為 黏著主機板的媒介。

圖2.2-2 打金線製程示意圖「27」

圖2.2-3 導線架製程示意圖「27」

凸塊(solder bump)封裝方式為在晶圓上經過負型光阻(PI Coater)、曝光

（Exposure）與顯影(Developer)生成負型光組（PI） 開孔，如圖2.2-4所示，再 透過濺鍍（Sputter）的方式、及正型光阻的曝光與顯影等製程形成金屬層（UBM）

圖2.2-5 正型光阻層開孔 示意圖「27」

金屬層（UBM）主要作用就是為了讓凸塊與晶片間連接的黏結層(Adhesion Layer)、元素擴散阻障層（Diffusion Barrier Layer）及潤濕層或抗氧化層（Wettable Layer or Oxidation Resistant Layer）。當以電鍍銅，如圖2.2-6，及印刷錫膏如圖 2.2-7所示，塗佈於金屬層之後，經迴焊爐就會生成錫球（Solder Ball）如圖2.2-8 所示，再經由晶圓切割（Wafer Sawing）製程，則晶圓級晶片封裝（WLCSP）

即完成。

圖2.2-7 錫膏印刷示意圖「27」

圖2.2-8 錫膏成球示意圖「27」

2.3 晶圓凸塊製程發展

覆晶構裝（Flip Chip Assembly）技術為1960年代IBM公司開發之C4（Controlled Collapse Chip Connection）技術，也是半導體封裝業界近年來非常關注的議題，而 凸塊製程則是覆晶構裝技術中居品質關鍵的製程，覆晶技術概念就是將凸塊直接 與基板（Substrate）連接到晶片之上，故稱為覆晶封裝。在覆晶封裝技術中，錫鉛 凸塊（Solder Bump）與基板取得是最關鍵的兩個部分。

2.3.1 凸塊結構與材料

錫（鉛）球本體通常為錫鉛合金，常見的以錫鉛凸塊為例其結構概可分為 兩大部份，分冸為錫鉛球本體與球下冶金層（UBM：Under Bump Metallurgy）

等。錫鉛球常用的合金組成有兩種，分冸為高溫錫鉛合金，如Pb /Sn＝95/5通常

圖2.3.2-1 電鍍凸塊（Plating bump）封裝流程「27」

圖2.3.2.-2 晶圓級封裝凸塊製程示意圖「27」

第三章 迴焊爐製程簡介

3.1 製程介紹

表面焊接技術的發明與精進是近年來半導體產業之所以能夠蓬勃發展的主要 原因之一，而迴焊(Reflow)又是表面焊接技術中極重要的技術。透過錫膏印刷到 UBM 上方，經過高溫迴焊爐將錫膏融化成凸塊(錫球)雛型等到溫度冷卻錫膏變回 固體後而形成凸塊。在積體電路製造上整個矽晶圓進行焊接凸塊製程(wafer bump) 之後，晶圓是個體的進行覆晶封裝內部的上方壓焊製程。所以，設備與製程是製 造晶圓凸塊的重要關鍵。本研究冺用資料分析技術針對影響迴焊爐機台製程的環 境因子收集相關資料作分析並冺用即時監控系統改善製程上的變因降低晶圓發生 球表面變色、大小球、凸塊孔洞等問題。

3.2 迴焊爐系統介紹：

迴焊爐機台製程作動方向，如圖 3.2-1 及 3.2-2 所示，從進料端（load）開始傳 送晶圓經過內部五個不同溫度加熱區與冷卻區再送回到出料端（unload），如圖 3.2-3 所示。

圖 3.2-2 迴焊爐機台平面圖及製程方向圖

圖 3.2-3 晶圓經過重流爐機台位置圖

3.3 迴焊爐溫度：

迴焊爐中最為重要的環境因子之一，冺用爐內溫度及變時間變化的調配達 到最佳化，使錫球外觀、附著力、內部孔洞、球高及整體平面度等條件都能符 合後製程使用條件。一波三折馬鞍式的變溫曲線(如圖 3.3-1)是業界中最常見使 用於觀察製程中的溫度變化。

圖 3.3-1 不同焊料迴焊溫度曲線

3.3.1 迴焊爐製程各區製程功介紹（如圖 3.3.1-1）

（1）預熱區：製程功能為錫膏中溶劑揮發。

（2）均溫區：製程功能為助焊劑活化、去除氧化物、蒸發殘餘水氣。

（3）迴焊區：製程功能為焊錫焊料熔融。

（4）冷卻區：製程功能為合金焊點形成，並且與焊點接合。

圖 3.3.1-1 迴焊爐製程各區製程功介紹

3.4 迴焊爐製程化學助焊劑

用於清潔錫球表面，去除氧化層，增進焊料的流動以冺焊接進行；焊接材料在 高溫下熔融後容易黏附於乾淨的相應焊接金屬表面，但這些金屬表面在高溫下很 容易形成氧化層，使焊接材料難以黏附在表面。助焊劑在室溫中穩定，在高溫下

成錫膏不熔(錫球未結合在一起)，或內部錫球跳出，造成所謂的麵包效應。故需給

迴焊爐機台製程中因晶圓表面上的錫膏、助焊劑經過高溫加熱而產生的廢棄 油煙常會殘留於迴焊爐腔體中；日積月累的不斷受熱使得這些油煙漸漸形成水滴 狀的油汙附著迴焊爐腔壁上（如圖 3.5-1），再點點滴滴的落到晶圓產品表面形成錫 球表面異常；因此良好的抽風系統將是非常重要的環境因子之一。迴焊爐內屬於 密閉式的空間，抽氣系統的設定必頇考慮到迴焊爐內氣場的設定，避免使廢氣不 斷排迴在迴焊爐腔體內無法被抽氣帶走。

圖 3.5-1 廢棄油煙殘留在迴焊爐壁上

第四章 迴焊爐製程整合設計的改善

在 晶 圓 上 製 造 出 錫 球 的 凸 塊 製 程 主 要 的 關 鍵 是 在 於 迴 焊 爐 機 台 (Reflow SIKAMA-8500)上，其目的是將已塗佈上錫膏或已鍍上銅柱之晶圓放進迴焊爐進行 reflow，在製程上透過不同的熱盤加熱溫度使錫膏、銅柱熔融形成錫球的雛形；再 由第二次迴焊爐時加入助銲劑增加錫球的黏著力及使錫球形狀變得更圓更完整。

本研究針對晶圓在迴焊爐製程後常會出現的異常問題去分析會造成影響的環境因 子，實驗出最佳化因子參數，並於迴焊爐設備機台上架設即時監控系統管控這些 環境因子，如圖 4-1 所示。

圖 4-1 即時監控系統

4.1 晶圓製程中實驗錫球未融熔方法

迴焊爐凸塊製程流程經第一次迴焊爐(預熱→加熱→迴焊→融熔→冷卻)融熔 形成錫球雛形，如圖 4.1-1 所示。

圖 4.1-1 錫膏加熱熔融成圓雛形圖「27」

於二次迴焊前預先塗佈上助銲劑，作用是增加錫球黏著力及使錫球變得更 圓，如圖 4.1-2 所示。

迴銲爐內的四個階段溫度曲線說明，如圖 4.1-3 所示。

錫膏熔融成錫球(凸塊)均是在密閉式的迴焊爐內，故無法得知造成熔融異常的 原因，如下圖4.1-4、4.1-5所示。本研究為分析錫膏在迴焊爐內熔融成錫球常會發 生的問題，透過驗證實驗出defect mode的再現性，並針對會影響到迴焊爐的環境因 子找出最佳化參數解決製程上所遇到的問題。

圖4.1-4 錫球製程未融熔圖

4.2 迴焊爐機台歷年問題及資料分析

蒐集2014年至2017迴焊爐機台(Sikama 8500) 發生異常重的歷史資料，進行資 料分析、整理並使用統計手法分析出其影響迴焊爐生產的環境因子。透過實驗模 擬的方式(DOE verifity)，找出其最佳的製程因子參數規格範圍解決製程上所遇到的 問題。以下為2014~2017年間迴焊爐錫球（RPI）& 電鍍（PFA）製程發生較高的

蒐集2014年至2017迴焊爐機台(Sikama 8500) 發生異常重的歷史資料，進行資 料分析、整理並使用統計手法分析出其影響迴焊爐生產的環境因子。透過實驗模 擬的方式(DOE verifity)，找出其最佳的製程因子參數規格範圍解決製程上所遇到的 問題。以下為2014~2017年間迴焊爐錫球（RPI）& 電鍍（PFA）製程發生較高的