超聲波輔助鍵合在Si/Cu焊點(diǎn)的應(yīng)用-深圳市福英達(dá)
超聲波輔助鍵合在Si/Cu焊點(diǎn)的應(yīng)用-深圳市福英達(dá)
單晶硅是在現(xiàn)代微電子領(lǐng)域中常見的低熱膨脹系數(shù)的晶體材料，在功率器件和3D封裝等先進(jìn)封裝領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。但是隨著封裝密度的增加，封裝器件的發(fā)熱量也是大幅上升，這會明顯影響硅的可靠性。因此有一些業(yè)內(nèi)人士嘗試將Si基板與高導(dǎo)熱的Cu進(jìn)行焊接鍵合起來從而改善散熱性能。但是普通合金焊料難以在硅表面潤濕，這需要一種新的焊接思路。
1. 超聲波焊接
超聲波焊接能在液體焊料中進(jìn)行空化作用，氣泡在熔融焊料中成核并生長，最終在固液界面附近塌陷。超聲波所產(chǎn)生的高溫和高壓可以破壞氧化物并促進(jìn)焊料和基底材料之間的潤濕，因而不需要用到助焊劑。為了深入了解超聲波在焊接的作用，Li等人使用Sn3.5Ag4Al焊料將Si金屬化，并用超聲波實(shí)現(xiàn)Si和Cu的連接。
圖1. 超聲波焊接實(shí)驗(yàn)步驟。
2. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
2.1 微觀結(jié)構(gòu)
從圖二可以看到，兩種超聲波震動時(shí)間都能使Si和Sn3.5Ag4Al焊料形成界面鍵合，但是超聲波20s后，焊料/Si的界面處平整，沒有明顯反應(yīng)層。而超聲波處理時(shí)間增加到50s后，界面開始產(chǎn)生反應(yīng)。據(jù)觀察，在焊料/Si界面處出現(xiàn)了Al和O的富集，表明形成了無定形Al2O3化合物。Li等人還在沒有超聲波輔助下將焊料涂覆到Si襯底上，結(jié)果是Si和焊料無法形成鍵合。
圖2. 不同超聲波震動時(shí)間的焊料/Si界面的微觀結(jié)構(gòu)。(a-c)：20s, (d-f)：50s。
當(dāng)超聲處理時(shí)間為2s時(shí)，Cu/焊料界面相對平坦，在界面處形成了CuAl2，這歸因于Cu和Al之間的優(yōu)先反應(yīng)。但是焊料和Cu的溶解度不足，CuAl2分布并不連續(xù)。隨著超聲時(shí)間增加，CuAl2在界面處的分布逐漸增加且變得更加連續(xù)。當(dāng)超聲時(shí)間為12s。焊料/Cu界面出現(xiàn)了溶解坑，這表明Cu焊盤被超聲劇烈侵蝕。值得注意的是，由于超聲波效應(yīng)，CuAl2對焊點(diǎn)強(qiáng)度沒有顯著影響。
圖3. 不同超聲波震動時(shí)間的焊料/Cu界面微觀結(jié)構(gòu)。(a)2s, (b)6s, (c)12s。
2.2 機(jī)械強(qiáng)度
隨著超聲震動時(shí)間增加，Si/Cu焊點(diǎn)的機(jī)械強(qiáng)度呈現(xiàn)一個(gè)先上升后下降的趨勢。如果超聲時(shí)間過短，焊料和Cu之間的有效結(jié)合面積小。當(dāng)超聲時(shí)間為6s，焊點(diǎn)處的CuAl2晶體較細(xì)，從而對焊點(diǎn)起到增強(qiáng)作用。更長的超聲時(shí)間會使Cu6Sn5開始生長，并在Cu6Sn5表面上出現(xiàn)空洞，從而削弱了焊點(diǎn)強(qiáng)度。
圖4. 不同超聲震動的Si/Cu焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度。
3. 福英達(dá)錫膏
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4. 參考文獻(xiàn)
Li, W.Z., Ding, Z.J., Xue, H.T., Guo, W.B., Chen, C.X., Jia, Y. & Wan, Z. (2023). Interfacial bonding mechanisms in ultrasonic-assisted soldered Si/Cu joint using Sn-3.5Ag-4Al solder. Materials Characterization, vol.199.
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