無鉛錫膏使用_微電子與半導體焊接微冶金過程
無鉛錫膏使用_微電子與半導體焊接微冶金過程
微電子和半導體的封裝過程是為了實現芯片和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。當無鉛錫膏通過印刷，點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與焊接母材發生一系列反應。例如，錫膏助焊劑成分會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。同時助焊劑能還原焊盤上的氧化物。最后在加熱條件下錫膏會與焊盤發生冶金反應完成連接。那么什么是冶金連接呢?
冶金連接機理
焊點的高機械強度依賴優秀的冶金連接。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的冶金結合并形成永久性焊點。冶金連接本質上是通過原子擴散來實現的。錫膏金屬原子和焊盤銅原子在加熱作用下相互擴散并消耗，在焊料和焊盤界面形成特定金屬間化合物(IMC)。IMC隨后會成核并生長，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，當使用SnAg3Cu0.5無鉛錫膏和Cu焊盤進行加熱焊接時，Cu原子會進行晶界擴散至焊料和焊盤的界面處。然后Cu原子會溶解到焊料中，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在生長過程中會逐漸熟化變成扇貝形狀 (圖1)。隨著時間推進，還會生成另一種IMC叫Cu3Sn, Cu3Sn 的出現伴隨著Sn和Cu6Sn5的消耗。
圖1. SAC305錫膏焊接IMC生長過程 (Lee 和 Mohamad, 2013)。
在回流中，除了Cu6Sn5和Cu3Sn，熔融焊料中的Sn和Ag也會反應，從而在焊料內部生成少量的Ag3Sn。在無鉛錫膏固化后，Ag3Sn在IMC層附近均勻散布。Ag3Sn的生長與焊料中的Ag含量有關。當Ag含量在4wt%以上，會出現大塊Ag3Sn。
錫膏量和回流時間對冶金連接的影響
冶金連接過程生成IMC種類和數量取決于錫膏金屬成分和錫膏量。當錫膏充足，Sn持續向Cu焊盤界面擴散，Cu6Sn5層更厚。此外，Sn含量高會導致回流中出現球形Cu6Sn5。
隨著回流時長增加，Sn會逐漸消耗，Sn擴散率降低，Cu6Sn5層厚度趨于穩定。此時Cu3Sn IMC開始緩慢生長。總IMC厚度仍會繼續增加。通常在熱老化過程中Sn會完全消耗，Cu6Sn5會開始分解并在Cu焊盤一側形成更多Cu3Sn。Cu3Sn的過度生長產生的影響是負面的，會導致焊點變脆，使焊點更易發生脆性斷裂。
圖2. 不同回流時間SAC305-Cu焊盤界面的IMC生長情況 (Lee 和 Mohamad, 2013)。
深圳市福英達能提供用于回流焊接工藝的錫膏產品，并能為客戶提供回流曲線建議，幫助客戶控制焊接產品IMC層厚度和改善焊點性能。
參考文獻
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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