我們來詳細介紹一下系統級封裝中的核心工藝之一——植球工藝。

一、 什么是植球工藝？

植球工藝，全稱為焊球植球工藝，是指在集成電路芯片的焊盤或封裝基板的焊盤上，通過一系列技術手段，精確地放置并固定微小尺寸的焊料球的過程。這些焊料球將成為封裝體與外部電路（如印刷電路板-PCB）進行電氣連接和機械連接的橋梁。

在系統級封裝中，植球是實現芯片與基板、或基板與PCB之間互連的關鍵步驟，它直接影響到最終產品的可靠性、性能和良率。

二、 植球工藝的主要步驟流程

植球工藝是一個精細且要求嚴格的過程，通常包含以下核心步驟：

第一步：前期準備

1. 基板清潔：使用等離子清洗或化學溶劑清洗封裝基板的焊盤表面，去除有機物、氧化物和顆粒污染物，確保焊盤具有良好的可焊性。

2. 焊膏印刷：

• 制作一塊與焊盤位置精確對應的鋼網。

• 將鋼網對準并覆蓋在基板上。

• 使用刮刀將適量的焊膏通過鋼網開口印刷到每個焊盤上。焊膏起到臨時固定焊球和助焊的作用。

第二步：植球
這是最核心的環節，主要有兩種主流技術：

1. 鋼網植球法

• 過程：使用一塊專門制作的、開孔位置與焊盤一一對應的植球鋼網。將鋼網精確對位到已印刷好焊膏的基板上，然后通過振動或傾倒的方式，讓焊球落入鋼網的每一個孔中。多余的焊球會被刮走回收。

• 特點：效率高，適合大批量生產。但對鋼網精度和焊球尺寸一致性要求極高。

2. 助焊劑植球法

• 過程：首先在整個焊盤區域均勻涂布一層薄薄的助焊劑。然后使用一個專用的、帶有與焊盤陣列對應凹坑的植球頭，通過真空吸附將焊球精確地排列在植球頭上。接著，植球頭移動并對準基板，釋放真空，將整排或整個陣列的焊球一次性放置在涂有助焊劑的焊盤上。助焊劑的粘性可以暫時固定焊球。

• 特點：精度更高，對焊球共面性控制好，尤其適合細間距、高密度和混排尺寸的植球，是目前最先進和主流的工藝。

第三步：回流焊接

• 將植好球的基板傳送至回流焊爐中。

• 基板經過一個預設的溫度曲線，焊球和焊膏/助焊劑經歷預熱、恒溫、回流（熔化）和冷卻過程。

• 在回流階段，焊料熔化，表面張力使其形成一個完美的球體，并與基板焊盤形成牢固的金屬間化合物，實現冶金結合。

第四步：清洗與檢查

1. 清洗：使用去離子水或專用清洗劑，去除回流焊后殘留的助焊劑等污染物。

2. 檢查：

• 光學檢查：使用自動光學檢查設備，檢查植球是否存在缺失、偏移、橋連、尺寸不一等缺陷。

• X-ray檢查：用于檢測隱藏在焊球下方的空洞、裂紋等內部缺陷。

• 共面性檢測：確保所有焊球的高度一致，這對于后續的焊接可靠性至關重要。

三、 植球工藝的主要特點

1. 高密度互連能力

• 植球工藝可以實現非常小的焊球間距，目前先進的工藝可以處理0.3mm甚至更細的間距，這使得SiP能夠在有限的面積內容納更多的I/O數量，滿足現代電子產品小型化、高功能化的需求。

2. 優異的電氣和熱性能

• 焊球提供了短而直接的電氣連接路徑，減少了信號傳輸延遲和電感，提升了高頻性能。

• 同時，焊球也是有效的導熱通道，有助于將芯片產生的熱量傳導到PCB并散發出去。

3. 高可靠性和機械穩定性

• 回流后形成的焊點強度高，能夠承受一定的機械應力（如振動、沖擊）。

• 整個焊球陣列共同支撐封裝體，提供了穩定的機械結構。在芯片和PCB的熱膨脹系數不匹配時，焊球陣列能通過自身的形變來吸收部分熱應力，防止連接點疲勞開裂。

4. 工藝靈活性強

• 混排技術：可以在同一個基板上植入不同尺寸、不同合金成分的焊球。例如，外圍放置大尺寸焊球用于機械支撐和電源/接地，中心區域放置小尺寸焊球用于高速信號傳輸。

• 材料可選：可以根據應用需求（如無鉛要求、高溫應用）選擇不同成分的焊料，如SAC305（錫-銀-銅）、高鉛焊料等。

5. 挑戰與難點

• 精度要求極高：無論是鋼網對位還是植球頭對位，微米級的偏差都可能導致橋連或虛焊。

• 焊球處理困難：微米級的焊球極易氧化、靜電吸附，對儲存和使用環境要求苛刻。

• 共面性控制：焊球高度不一致會導致焊接時部分焊球接觸不良，形成“枕頭效應”等缺陷。

• 空洞問題：焊接過程中可能產生氣泡，形成空洞，影響導熱和機械強度。

• 成本：高精度的設備（如植球機、AOI）和輔助工具（高精度鋼網/植球頭）成本高昂。

四、 總結

植球工藝是系統級封裝實現高密度、高性能、高可靠性三維集成不可或缺的基石。它通過將成千上萬個微小的焊球精確地放置在封裝基板上，構建了芯片與外部世界的“微型立交橋”。隨著SiP技術向更細間距、更高集成度和異質集成方向發展，植球工藝也在不斷演進，其精度、效率和可靠性將持續推動著先進封裝技術的進步。

簡單來說，您可以將其理解為在芯片或基板的“地基”上，用最精密的方式“種”上一片整齊的“金屬球森林”，這片森林的質量直接決定了整個系統級封裝建筑的穩固與通暢。

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水基清洗的工藝和設備配置選擇對清洗精密器件尤其重要，一旦選定，就會作為一個長期的使用和運行方式。水基清洗劑必須滿足清洗、漂洗、干燥的全工藝流程。

污染物有多種，可歸納為離子型和非離子型兩大類。離子型污染物接觸到環境中的濕氣，通電后發生電化學遷移，形成樹枝狀結構體，造成低電阻通路，破壞了電路板功能。非離子型污染物可穿透PC B 的絕緣層，在PCB板表層下生長枝晶。除了離子型和非離子型污染物，還有粒狀污染物，例如焊料球、焊料槽內的浮點、灰塵、塵埃等，這些污染物會導致焊點質量降低、焊接時焊點拉尖、產生氣孔、短路等等多種不良現象。

這么多污染物，到底哪些才是最備受關注的呢？助焊劑或錫膏普遍應用于回流焊和波峰焊工藝中，它們主要由溶劑、潤濕劑、樹脂、緩蝕劑和活化劑等多種成分，焊后必然存在熱改性生成物，這些物質在所有污染物中的占據主導，從產品失效情況來而言，焊后殘余物是影響產品質量最主要的影響因素，離子型殘留物易引起電遷移使絕緣電阻下降，松香樹脂殘留物易吸附灰塵或雜質引發接觸電阻增大，嚴重者導致開路失效，因此焊后必須進行嚴格的清洗，才能保障電路板的質量。

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