無鉛錫膏使用_微電子與半導(dǎo)體焊接微冶金過程
無鉛錫膏使用_微電子與半導(dǎo)體焊接微冶金過程
微電子和半導(dǎo)體的封裝過程是為了實(shí)現(xiàn)芯片和PCB之間的電，熱連通。通常需要使用錫膏作為芯片和PCB間填充材料。當(dāng)無鉛錫膏通過印刷，點(diǎn)膠或噴印等手段涂覆到母材表面并完成元件的貼裝之后，需要采取回流工藝完成焊接工作。無鉛錫膏在回流加熱過程會(huì)與焊接母材發(fā)生一系列反應(yīng)。例如，錫膏助焊劑成分會(huì)改變焊接母材和錫膏合金粉末表面的張力，使得焊料能在焊盤鋪展。同時(shí)助焊劑能還原焊盤上的氧化物。最后在加熱條件下錫膏會(huì)與焊盤發(fā)生冶金反應(yīng)完成連接。那么什么是冶金連接呢?
冶金連接機(jī)理
焊點(diǎn)的高機(jī)械強(qiáng)度依賴優(yōu)秀的冶金連接。冶金連接指的通過加熱手段，使無鉛錫膏和焊接母材間形成原子級(jí)的冶金結(jié)合并形成永久性焊點(diǎn)。冶金連接本質(zhì)上是通過原子擴(kuò)散來實(shí)現(xiàn)的。錫膏金屬原子和焊盤銅原子在加熱作用下相互擴(kuò)散并消耗，在焊料和焊盤界面形成特定金屬間化合物(IMC)。IMC隨后會(huì)成核并生長(zhǎng)，從而形成焊料和焊盤間的冶金連接。IMC類型可通過金屬相圖確定。
例如，當(dāng)使用SnAg3Cu0.5無鉛錫膏和Cu焊盤進(jìn)行加熱焊接時(shí)，Cu原子會(huì)進(jìn)行晶界擴(kuò)散至焊料和焊盤的界面處。然后Cu原子會(huì)溶解到焊料中，在界面與焊料Sn原子以特定原子比例形成連續(xù)的IMC層。由于在回流過程中無鉛錫膏的Sn原子充足，因此主要形成的IMC是Cu6Sn5。Cu6Sn5在生長(zhǎng)過程中會(huì)逐漸熟化變成扇貝形狀 (圖1)。隨著時(shí)間推進(jìn)，還會(huì)生成另一種IMC叫Cu3Sn, Cu3Sn 的出現(xiàn)伴隨著Sn和Cu6Sn5的消耗。
圖1. SAC305錫膏焊接IMC生長(zhǎng)過程 (Lee 和 Mohamad, 2013)。
在回流中，除了Cu6Sn5和Cu3Sn，熔融焊料中的Sn和Ag也會(huì)反應(yīng)，從而在焊料內(nèi)部生成少量的Ag3Sn。在無鉛錫膏固化后，Ag3Sn在IMC層附近均勻散布。Ag3Sn的生長(zhǎng)與焊料中的Ag含量有關(guān)。當(dāng)Ag含量在4wt%以上，會(huì)出現(xiàn)大塊Ag3Sn。
錫膏量和回流時(shí)間對(duì)冶金連接的影響
冶金連接過程生成IMC種類和數(shù)量取決于錫膏金屬成分和錫膏量。當(dāng)錫膏充足，Sn持續(xù)向Cu焊盤界面擴(kuò)散，Cu6Sn5層更厚。此外，Sn含量高會(huì)導(dǎo)致回流中出現(xiàn)球形Cu6Sn5。
隨著回流時(shí)長(zhǎng)增加，Sn會(huì)逐漸消耗，Sn擴(kuò)散率降低，Cu6Sn5層厚度趨于穩(wěn)定。此時(shí)Cu3Sn IMC開始緩慢生長(zhǎng)?？侷MC厚度仍會(huì)繼續(xù)增加。通常在熱老化過程中Sn會(huì)完全消耗，Cu6Sn5會(huì)開始分解并在Cu焊盤一側(cè)形成更多Cu3Sn。Cu3Sn的過度生長(zhǎng)產(chǎn)生的影響是負(fù)面的，會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)變脆，使焊點(diǎn)更易發(fā)生脆性斷裂。
圖2. 不同回流時(shí)間SAC305-Cu焊盤界面的IMC生長(zhǎng)情況 (Lee 和 Mohamad, 2013)。
深圳市福英達(dá)能提供用于回流焊接工藝的錫膏產(chǎn)品，并能為客戶提供回流曲線建議，幫助客戶控制焊接產(chǎn)品IMC層厚度和改善焊點(diǎn)性能。
參考文獻(xiàn)
Lee, L.M. & Mohamad, A.A. (2013). “Interfacial Reaction of Sn-Ag-Cu Lead-Free Solder Alloy on Cu: A Review”. Advances in Materials Science and Engineering.
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