【景明化工｜半導體先進封裝小學堂】
【景明化工｜半導體先進封裝小學堂】
無助焊劑甲酸回焊技術：銅柱凸塊（Cu Pillar Bump）製程中的關鍵化學應用
從銅柱凸塊、微凸塊到高密度異質整合，為什麼先進封裝開始採用甲酸（Formic Acid）進行無助焊劑回焊？
隨著 AI、高效能運算（HPC）、HBM 高頻寬記憶體與 2.5D／3D IC 封裝技術快速發展，半導體晶片之間的互連密度持續提高。
傳統錫球接合逐漸面臨細間距、尺寸控制與可靠性挑戰，而銅柱凸塊（Copper Pillar Bump）因具有良好的導電性、導熱性及幾何尺寸控制能力，成為先進封裝重要的互連結構。
然而，當凸塊間距縮小至數十微米甚至更小時，回焊過程中的金屬氧化、焊料潤濕不足與助焊劑殘留，都可能影響封裝良率與長期可靠性。無助焊劑甲酸回焊（Fluxless Formic Acid Reflow） 因此成為先進封裝領域的重要製程技術之一。
一、傳統助焊劑回焊的技術瓶頸
傳統銅柱凸塊回焊通常包含三個主要步驟：
Flux Coating
N₂ Reflow
Flux Cleaning
助焊劑中的有機酸可與金屬氧化物反應，促進焊料潤濕與熔融成型。但隨著銅柱間距縮小，清洗液不易充分進入凸塊間隙，殘留物可能導致：
- ✓離子污染與電化學遷移（Electrochemical Migration）
- ✓金屬接點腐蝕（Corrosion）
- ✓表面絕緣電阻降低
- ✓焊點接合可靠性下降
- ✓後續底部填膠（Underfill）製程受到影響
因此，如何在不使用傳統助焊劑的條件下去除金屬氧化層，成為重要的製程開發方向。
二、甲酸為什麼能去除金屬氧化層？
甲酸（Formic Acid，HCOOH）是一種具有還原能力的有機酸。
在適當的溫度與製程氣氛下，甲酸可與銅、錫等金屬表面的氧化物反應，促進氧化層去除。
以氧化銅為例，總反應可表示為：
實際反應可能涉及金屬甲酸鹽中間體的形成與分解。以二價金屬氧化物 MeO 為簡化模型：
Me(HCOO)₂ → Me + 2CO₂ + H₂
※ 其中 Me 代表適用於該反應路徑的金屬。不同金屬氧化物的反應途徑與分解溫度並不完全相同，因此實際製程須依金屬組成進行評估。
這些反應能夠協助去除焊料表面氧化層，使熔融焊料更容易潤濕金屬表面。
甲酸回焊的核心價值，不只是去除氧化物，更是改善焊料潤濕、凸塊成型與接合可靠性。
三、甲酸回焊製程的三個關鍵階段
典型甲酸回焊設備透過氮氣攜帶甲酸蒸氣進入加熱腔體，並搭配低氧控制與多溫區加熱系統。
約 150～160°C 的溫度區間，可促進特定金屬氧化物與甲酸反應。此階段重點在於控制：
- ✓甲酸蒸氣濃度
- ✓腔體氧氣含量
- ✓晶圓升溫速率
- ✓金屬表面氧化層狀態
溫度提高至焊料液相線以上，使焊料充分熔融、潤濕並形成預期的凸塊形貌。
例如 Sn-Ag 系統的回焊溫度通常設定於其液相線以上，但實際峰值溫度必須依合金成分與設備條件決定。溫度過低可能造成不完全回焊；溫度或持溫時間不當，則可能導致過度鋪展、形貌異常或介金屬化合物過度成長。
透過控制降溫速率，使焊料凝固並形成穩定的接合結構。冷卻速度不當可能造成熱應力集中，進而影響晶圓與凸塊的可靠性。
四、決定甲酸回焊品質的四項製程參數
回焊腔體必須維持低氧氣氛，避免焊料在升溫與回焊期間再次氧化。部分製程將氧氣體積分率控制在 5 × 10⁻⁵ 以下，約相當於 50 ppm。
甲酸濃度必須足以促進表面氧化層去除。濃度過低可能造成還原不足影響潤濕；但過高亦須考量反應時間、排氣系統與設備材料相容性。
製程須精確控制升溫速率、峰值溫度、液相線以上時間及冷卻速率，避免不完全回焊與過度回焊導致結構缺陷。
甲酸原料中的金屬雜質、水分、陰離子與其他微量污染物，均應嚴格評估。穩定的化學材料品質是高密度封裝重現性的基石。
五、甲酸回焊對先進封裝的技術價值
- ✓減少助焊劑殘留與離子污染
- ✓改善焊料潤濕性及表面氧化問題
- ✓降低細間距互連的清洗困難
- ✓有助於改善凸塊高度與形貌一致性
- ✓減少清洗設備與相關製程步驟
- ✓降低因助焊劑殘留造成的可靠性風險
- ✓Cu Pillar Bump 銅柱凸塊
- ✓Micro-bump 微凸塊互連
- ✓Flip Chip 倒裝晶片封裝
- ✓Wafer-Level Packaging 晶圓級封裝
- ✓2.5D／3D IC 先進封裝
- ✓特定金屬表面活化與接合前處理
技術釐清：值得注意的是，甲酸回焊與 Cu-Cu Hybrid Bonding（銅對銅混合鍵合）並非相同技術，後者通常涉及更嚴格的表面平坦度、潔淨度及不同的接合機制。
六、高純度甲酸：先進封裝不可忽視的化學材料
甲酸回焊技術的發展，也讓高純度化學材料在先進封裝製程中的重要性逐漸提高。
除了設備溫度、氧氣含量與反應條件，材料的純度、雜質控制及批次一致性，也會影響製程驗證結果。
景明化工 ECHOCHEMICAL 專業提供 Thermo Scientific Chemicals（Thermo Fisher Scientific）品牌甲酸（Formic Acid）。
景明化工持續深耕化學試劑與精密化學材料供應，針對半導體封裝、電子材料研發及金屬表面處理等應用，協助客戶進行產品選型、規格確認與技術資料評估。
我們重視的不僅是化學品供應，更希望透過材料專業，協助客戶理解製程需求與化學材料之間的關聯。
製程導入叮嚀：實際應用於半導體量產時，仍須確認甲酸的金屬雜質、水分及其他品質規格，並完成設備與製程相容性驗證。
七、未來展望：從甲酸回焊走向更精密的無助焊劑接合
隨著晶片互連節距持續縮小，半導體產業也積極研究氫氣回焊、活化氫及其他低殘留表面還原技術。未來製程發展將更加重視：
- ✓低溫接合能力
- ✓高密度微凸塊的形貌控制
- ✓金屬氧化層的精準去除
- ✓微量污染物管理
- ✓材料與設備製程整合
從傳統助焊劑，到甲酸氣氛，再到新型無助焊劑技術，這不只是設備的升級，更是化學、材料科學與半導體製造工程的整合。
一個只有數十微米的銅柱凸塊，背後卻需要精密的化學反應與製程控制。這也是為什麼高純度化學材料，在先進封裝產業中扮演不可或缺的角色。
- 劉冰，《無助焊劑甲酸回流技術在銅柱凸點回流焊中的應用》
- Thermo Fisher Scientific — Thermo Scientific Chemicals，Formic Acid 產品技術資訊。
專業提供 Thermo Scientific Chemicals 品牌甲酸，歡迎洽詢相關產品規格與供應服務。
