芯片的本土化“引脚”——Ultra Low Alpha封装用锡合金微球

前言

随着人工智能、物联网等新兴技术的蓬勃发展，芯片行业迎来了前所未有的迅猛发展，而锡球作为芯片封装用的重要材料之一，广泛应用于微电子封装领域。小到携带便利的手机、笔记本电脑，大到高精度的卫星定位系统和航天电子（600879）设备，皆可见芯片封装用锡球的身影。

日前，飞凯材料（300398）的“芯片封装用锡合金微球”项目被评为上海市高新技术成果转化项目。飞凯材料作为国内优先研发该类锡合金微球的企业，实现了这一材料的本土化。

【资料图】

——飞凯科普小课堂

Dr.飞

在以往的科普小课堂中，我们已经了解了锡球在封装技术中的应用。你还记得什么是锡球吗？

当然记得啦！锡球是以锡为主体，添加其他元素如银、铜、镍为辅的锡合金球，常规球径大小为150μm-760μm。以往的芯片有“很多脚”，锡球代替了这些引脚。

小李

Dr.飞

你的回答非常正确，我们上次提到了传统的锡合金球--BGA锡合金球，即芯片已经完成前期的打线、倒装、注塑等工艺，再通过植球工艺将电信号引出。今天我带你了解一下飞凯材料自主生产的“超低阿尔法芯片封装用锡合金微球”，它可具有更加强大的功能呢。

什么是“超低阿尔法芯片封装用锡合金微球”

“超低阿尔法芯片封装用锡合金微球”（Ultra Low Alpha Mircoball）以下简称为ULA Mircoball，是在先进基板的制造过程中作为基板的预焊锡焊垫来完成基板和芯片之间的连接。

什么是先进基板预焊锡焊垫制造工艺，你能够详细介绍一下吗？

小李

Dr.飞

当然可以，这个工艺也叫Presolder 工艺。

（Presolder 工艺图）

这么说来，ULA Mircoball需要嵌入基板中，和芯片本体直接接触，制作的失误率是不是上升了呢？

小李

Dr.飞

要回答这个问题，就不得不提Alpha粒子对芯片软错误率的影响。

Ultra Low Alpha级别的粒子散射等级

锡合金微球中存在痕量的铀(U)、钍(Th)等杂质，这些杂质具有天然放射性，其释放的Alpha粒子具有较强的电离能力，会导致软错误的出现。软错误虽然可以被纠正，但当其发生在关键位置 (如中央处理器指令缓存) 且没有被及时修正时，可能导致严重的后果。

Dr.飞

为了避免锡合金中普遍存在的Alpha粒子放射造成对芯片本体的干扰，ULA Mircoball的Alpha粒子的散射等级必须达到Ultra Low Alpha级别，也就是Alpha粒子放射水平＜0.002cph/cm 。

原来如此，ULA Mircoball对工艺的要求更加严格，也需要达到很高的技术指标！

小李

ULA Mircoball具有更高的技术门槛

与传统BGA锡球相比，ULA Mircoball球径要小得多。传统BGA锡合金球的球径为250-500μm，而ULA Mircoball的球径为50μm、70μm、80μm等。此外ULA Mircoball对产品的真圆度、球径公差、抗氧化性能、球形外观等也有较高的要求，需要达到如下要求：

1. 球径公差：±3μm

2. 真圆度：＞98%

3. 抗氧化能力：氧含量＜35ppm

球形外观圆润，无凸起无凹坑无异形

（ULA 锡球）

Dr.飞

锡球的真圆度、抗氧化能力会影响芯片的良率，ULA Mircoball真圆度以及抗氧化能力的提升有利于减少芯片短路和无法焊接的问题，提高客户端的植球良率。

这么看来，ULA Mircoball在传统锡球的基础上进行了迭代升级，那国内是不是有很多企业开始生产这款锡球了呢？

小李

Dr.飞

并非如此。自从先进基板行业采用预焊锡焊垫制造工艺技术以来，ULA Mircoball的市场一直被国外厂商垄断，多年来少有国内材料厂商可以打进这一细分市场。

制作ULA Mircoball的难点主要在于：

Ultra Low Alpha粒子提纯设备成本高

Alpha粒子放射级别受金属元素干扰影响较大，而大陆本土的先进基板制造企业较少，缺乏对Ultra Low Alpha的焊锡材料的开发提纯经验，提纯工艺难并且提纯设备成本高，很多企业不能将锡合金中的Alpha粒子数提纯到超低的级别。

Mircoball制造门槛高

业界锡球的量产制程瓶颈一般在100μm，低于100μm的Mircoball重量及形态类似“灰尘”，易被吹飞，球体颗粒太轻也无法通过常规的振动或者滚动筛选设备进行有效筛选，故需要通过一系列特殊的制造及筛选过程，目前业界鲜有企业具有Mircoball制造的能力。

Dr.飞

飞凯材料目前已经突破了生产ULA Mircoball的技术难点，针对ULA产品线配置了特制的生产设备及器皿，可以不影响合金内的Alpha粒子量；并且拥有自主开发的一条Mircoball专用生产线，可以量产50-100μm的锡球。飞凯材料是目前为数不多的可以量产ULA Mircoball的国产厂商。

市场情况

基板用锡合金微球每年的市场容量约2亿人民币，目前国内外先进基板领域使用的ULA Mircoball的生产厂商，大多为日本千住以及韩国德山。飞凯材料的ULA Mircoball项目如今正在稳步推进中，飞凯材料锡球有望打破日韩的封锁，助力高端先进半导体制程国产化，摆脱关键材料“卡脖子”的现状。

总结

随着科技的进步和需求的增长，锡球技术也在不断发展。在未来，飞凯材料将持续加强锡球技术的自主研发，加大对材料本土化的相关投入，为更多领域的应用提供支持，推动电子行业向智能化、高效率方向发展，为我国半导体产业的发展注入新的动力和活力。

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