晶圆级封装Bump制作中锡膏和助焊剂的应用解析

在晶圆级封装（WLCSP）的Bump（凸点）制作中，锡膏与助焊剂并非所有工艺都必需——电镀法通过金属沉积形成凸点主体，仅在回流环节需微量助焊剂辅助；但（中低密度Bump主流工艺）和（大尺寸Bump工艺）中，二者是决定凸点成型质量、可靠性的核心材料。以下针对这两类核心工艺，详细拆解锡膏与助焊剂的应用环节、操作细节及技术要求。

一、焊料印刷法：锡膏为“骨”，助焊剂为“脉”的凸点成型工艺

焊料印刷法通过“锡膏精准涂覆+回流塑形”直接形成Bump，无需电镀或预成型焊球，工艺简洁、成本可控，适配凸点尺寸100-300μm、间距50-100μm的场景（如物联网芯片、消费电子传感器）。锡膏是凸点的“物质主体”，助焊剂则融入锡膏或单独使用，贯穿印刷、回流全流程。

1. 前置准备：锡膏与助焊剂的精准选型（工艺成功的基础）

此环节需结合Bump尺寸、晶圆材质、回流条件确定材料参数，核心是“锡膏匹配印刷精度，助焊剂适配焊料活性”。

（1）锡膏选型：从粉末到助焊剂的协同设计

晶圆级Bump印刷用锡膏与传统SMT锡膏差异显著，需满足“超细粉径、高触变性、低空洞率”三大核心要求，具体参数如下：

根据工作温度选择，通用场景优先Sn96.5Ag3Cu0.5（SAC305，熔点217℃），热敏元件（如OLED驱动芯片）选Sn58Bi42（熔点139℃）或Sn53In48（熔点117℃）；合金粉末占比88%-92%（金属含量越高，凸点密度越大）。

必须选用6号粉（粒径5-15μm）或7号粉（粒径2-5μm），球形度≥95%（避免印刷时堵网），氧化率≤0.1%（防止回流时形成氧化渣）；粉末粒径需与Bump尺寸匹配——100μm凸点用6号粉，50μm细间距凸点必须用7号粉。

助焊剂含量8%-12%，核心成分包括松香（成膜剂）、有机酸（活化剂，如己二酸）、触变剂（氢化蓖麻油，控制流动性）；无卤素要求（Cl⁻+Br⁻<0.1%），避免腐蚀晶圆焊盘。

触变指数1.4-1.6（静置时黏稠防坍塌，印刷时流动易填充），25℃下黏度5000-8000cP（黏度太低易渗油，太高则印刷不饱满）。

实操要点：锡膏开封前需在25℃环境回温4小时（避免吸潮），回温后用不锈钢刮刀沿同一方向搅拌3分钟，确保助焊剂与合金粉均匀混合，无结块或气泡。

（2）助焊剂补充选型（特殊场景）

若晶圆UBM层（凸点下金属化层）氧化严重（如存放超过72小时），需在印刷锡膏前单独涂覆“预活化助焊剂”——选用低黏度（100-300cP）、高活性的无卤素助焊剂，通过喷雾方式均匀覆盖UBM表面（厚度1-3μm），作用是提前清除氧化层，避免锡膏活性不足导致虚焊。

2. 核心工序：锡膏印刷——毫米级钢网与微米级精度的博弈

印刷是将锡膏转移到晶圆UBM层预设区域的关键步骤，需解决“精准填充、无漏印、无桥连”三大问题，锡膏的触变性与钢网设计直接决定印刷质量。

（1）钢网定制：匹配Bump图形的“模具”

钢网材质选用304不锈钢（厚度50-150μm，与凸点目标高度匹配），开口设计遵循“缩口原则”——开口尺寸比Bump图形尺寸小10%-15%（如100μm凸点，钢网开口85μm×85μm），防止锡膏印刷后坍塌；开口侧壁需做电解抛光（粗糙度Ra≤0.1μm），避免锡膏粘连残留。

（2）印刷参数：锡膏流动的“精准控制”

采用晶圆级专用印刷机（带真空吸盘固定晶圆），核心参数需与锡膏特性联动，具体设置如下：

参数类别	6号粉锡膏 （100μm凸点）	7号粉锡膏 （50μm凸点）	设置逻辑
刮刀压力	3-4N/cm²	2-3N/cm²	压力过大刮伤钢网，过小残留锡膏；细粉需减小压力防堵网
印刷速度	5-8mm/s	3-5mm/s	速度过快锡膏填充不充分，过慢易渗油；细粉需慢速度保填充
钢网间距	0.1-0.2mm	0.05-0.1mm	间距过大导致锡膏量不足，过小易粘晶圆表面
印刷温度	23±2℃	23±1℃	温度波动影响锡膏黏度，细粉对温度更敏感

（3）印刷后检查：锡膏形态的“初筛”

印刷完成后立即用2D AOI检测，合格标准为：锡膏图形完整无缺角，高度差≤5μm（同一晶圆），无桥连（相邻Bump锡膏间距≥20μm），无漏印（漏印率<0.01%）。若出现锡膏坍塌，需降低锡膏黏度或减小印刷速度；若出现堵网，需更换7号粉锡膏并清洗钢网。

3. 关键环节：回流焊接——锡膏成球与助焊剂的“活性爆发”

回流是将印刷的锡膏熔化、塑形为球形Bump的过程，助焊剂在此环节完成“氧化清除-润湿铺展-保护成膜”三大作用，锡膏则通过表面张力形成规整凸点。

（1）回流曲线设计：匹配锡膏熔点的“温度节奏”

采用氮气保护回流炉（氧含量<5ppm，防止锡膏氧化），回流曲线分为四个阶段，参数需与锡膏合金成分严格匹配（以SAC305锡膏为例）：

升温速率1-2℃/s，时间60-90秒。作用是让助焊剂缓慢活化，去除锡膏与UBM层表面的氧化膜；升温过快会导致助焊剂挥发过快，残留气泡形成空洞。

保温40-60秒。作用是让晶圆表面温度均匀，避免局部温差导致锡膏熔化不均；此阶段助焊剂充分发挥活性，润湿性达到峰值。

升温速率2-3℃/s，峰值温度245±5℃（比SAC305熔点高28℃），保温30-40秒。作用是让锡膏完全熔化，在表面张力作用下收缩为球形；助焊剂在此阶段形成保护薄膜，防止熔融锡料氧化。

降温速率2-4℃/s，时间60-80秒。作用是让Bump快速凝固，细化晶粒提升强度；降温过慢会导致IMC（金属间化合物）过度生长（厚度>5μm），降低Bump可靠性。

（2）助焊剂作用的“全程追踪”

回流过程中，锡膏内的助焊剂经历“活化-流动-残留”三个阶段：

1. 预热至120℃时，助焊剂中的有机酸开始分解，与锡粉表面的SnO₂、UBM层的CuO反应，生成可溶性盐（如Sn(COO)₂），清除氧化层。
2. 恒温段150℃时，助焊剂中的松香开始流动，包裹锡粉颗粒，降低熔融锡料的表面张力（从0.5N/m降至0.3N/m以下），促进锡料在UBM层铺展（铺展率≥85%）。
3. 冷却后，助焊剂残留形成绝缘薄膜（厚度1-3μm），覆盖Bump表面，防止后续存储时氧化，且残留绝缘电阻≥10¹²Ω，避免漏电风险。

（3）回流后Bump质量标准

通过3D AOI和X射线检测，合格Bump需满足：球形度≥90%，高度公差±5μm，共面度≤10μm（整片晶圆），内部空洞率≤5%（单个Bump），IMC层厚度2-5μm（Sn-Cu IMC），剪切强度≥30MPa（100μm Bump）。

二、植球法：锡膏为“胶”，助焊剂为“媒”的大尺寸Bump工艺

植球法适用于凸点尺寸300-1000μm、间距≥1mm的场景（如功率器件、汽车电子IGBT），核心逻辑是“预成型焊球+锡膏粘结+助焊剂活化”，锡膏不再是凸点主体，而是起到“固定焊球+辅助焊接”的作用，助焊剂则强化氧化清除效果。

1. 材料准备：锡膏与助焊剂的“功能分工”

选用低黏度（2000-4000cP）、高粘性的SnAgCu305锡膏，合金粉为5号粉（粒径15-25μm），助焊剂含量12%-15%（粘性更强，确保焊球不移位）；锡膏的作用是“粘结”而非“成型”，因此金属含量可略低（85%-88%）。

若焊球为氧化敏感型（如纯锡球），需单独选用“高活性助焊剂”（有机酸含量8%-10%），与锡膏配合使用；若焊球为预镀镍焊球，可仅依赖锡膏内的助焊剂。

直径比凸点目标尺寸大10%（如500μm凸点用550μm焊球），球形度≥98%，氧化层厚度<5nm，材质与锡膏一致（避免异种金属产生脆性相）。

2. 核心工序：助焊剂涂覆→锡膏印刷→焊球放置→回流焊接

（1）助焊剂与锡膏的分步涂覆（关键差异化环节）

与印刷法不同，植球法需先涂覆助焊剂再印刷锡膏，或二者混合涂覆，具体方式有两种：

用针转移方式在UBM层涂覆高活性助焊剂（厚度3-5μm），再用点胶机将锡膏点在助焊剂中心（锡膏量0.1-0.3mg/点，直径为焊球的1/3）；优点是助焊剂覆盖全面，氧化清除彻底，适合氧化严重的UBM层。

将高活性助焊剂与锡膏按1:5的比例混合（手工搅拌5分钟），通过钢网印刷在UBM层（厚度20-30μm）；优点是工序简化，适合大批量生产，但需控制助焊剂比例（过高会导致锡膏粘性下降，焊球移位）。

（2）焊球放置：锡膏粘性的“考验”

采用晶圆级植球机（带CCD视觉定位），将预成型焊球一一对应放置在锡膏上，锡膏的触变性使其在常温下保持高粘性（放置后30分钟内焊球无移位）。放置后需检查焊球垂直度（偏差≤5°）和位置精度（偏差≤10μm），避免回流后桥连。

（3）回流焊接：锡膏与焊球的“融合共生”

回流曲线与印刷法类似，但峰值温度需比焊球熔点高20-30℃（如SAC305焊球峰值温度235-240℃）。此阶段：锡膏先熔化，与助焊剂共同清除焊球和UBM层的氧化膜；随后焊球逐渐熔化，与锡膏融合形成统一的球形凸点，锡膏中的助焊剂则包裹整个凸点，防止氧化。

回流后Bump的核心质量指标：焊球与UBM层结合面积≥90%，无虚焊（X射线检测无间隙），剪切强度≥60MPa（500μm Bump），满足汽车级AEC-Q101振动测试要求（10-2000Hz振动后无开裂）。

三、电镀法中助焊剂的“辅助角色”（非核心但必要环节）

电镀法（凸点尺寸20-100μm，高密度场景）通过电镀SnAgCu合金形成凸点“坯体”，无需锡膏，但回流塑形环节必须用到助焊剂，否则会因电镀层氧化导致凸点成型不良。

具体应用：电镀完成后，用喷雾方式在晶圆表面均匀涂覆“低残留助焊剂”（厚度1-2μm），助焊剂中的活化剂清除电镀层表面的SnO₂氧化膜；回流时，助焊剂促进电镀层熔化塑形，冷却后残留量极少（≤0.5mg/cm²），可省略清洗工序。此环节助焊剂需满足“低挥发、高活性”要求，避免高温下产生挥发物污染凸点。

四、共性问题与解决：锡膏与助焊剂的工艺优化

常见问题	核心原因（锡膏/助焊剂相关）	解决措施
Bump空洞率过高（>5%）	锡膏吸潮，助焊剂挥发过快；回流预热段升温过急	锡膏开封后4小时内用完，未用完密封冷藏；调整预热段升温速率至1℃/s
焊球移位/桥连	锡膏黏度太低，助焊剂比例过高；印刷速度过快	更换高黏度锡膏（助焊剂含量降至10%）；降低印刷速度至3mm/s
Bump剪切强度不足（<30MPa）	助焊剂活性不足，UBM层氧化未清除；回流峰值温度不够	选用高活性助焊剂（有机酸含量≥5%）；提高峰值温度5-10℃
助焊剂残留腐蚀焊盘	助焊剂卤素含量超标；未及时清洗	选用无卤素助焊剂；高可靠场景回流后用水基清洗液超声清洗

五、总结：锡膏与助焊剂的应用逻辑核心

晶圆级Bump制作中，锡膏与助焊剂的应用始终围绕“工艺类型-凸点尺寸-可靠性需求”三大核心变量：

1. 高密度细间距（≤50μm）：依赖7号粉锡膏+高触变性助焊剂，核心是“印刷精度与成球质量”；
2. 中低密度（50-100μm）：6号粉锡膏+通用助焊剂即可，平衡成本与性能；
3. 大尺寸高可靠（≥300μm）：低黏度锡膏（粘结作用）+高活性助焊剂，重点是“焊球固定与结合强度”；
4. 热敏场景：低温锡膏（SnBi/SnIn）+低温活化助焊剂，控制热影响区。

二者的协同作用，本质是通过锡膏的“成型/粘结”功能与助焊剂的“氧化清除/润湿保护”功能结合，解决Bump的“连接可靠性”问题——这也是晶圆级封装从“实验室”走向“量产”的关键保障。