激光焊接和回流焊接對(duì)焊點(diǎn)的影響-深圳福英達(dá)

2024-02-25

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激光焊接和回流焊接對(duì)焊點(diǎn)的影響-深圳福英達(dá)

隨著“后摩爾時(shí)代”的到來，基于小芯片的異構(gòu)集成將會(huì)稱為半導(dǎo)體封裝的主流。小芯片趨于在3D方向上進(jìn)行封裝，以實(shí)現(xiàn)靈活的模塊化集成和片上系統(tǒng)集成。但是3D封裝會(huì)帶來一些問題。大功率電子元件在使用過程中通常會(huì)散發(fā)大量熱量，這需要高熔點(diǎn)的焊料來保持互連的熱穩(wěn)定性。然而一些熱敏部件的互連又需要低溫焊料來實(shí)現(xiàn)。其中一些基板具有高熱敏性，無法承受回流爐中的高溫和長時(shí)間加熱。激光焊接由于其局部和非接觸加熱，溫度變化快，無需助焊劑，可作為替代焊接工藝。

激光焊接時(shí)快速變溫和短焊接時(shí)間（幾秒）會(huì)顯著影響界面IMC和焊料基體的微觀結(jié)構(gòu)，從而影響焊點(diǎn)的使用可靠性。為了研究激光焊接和回流焊對(duì)IMC生長的影響，Wu等人使用了直徑100μm的SAC305焊料球在含有Ni-P UBM的硅基中介層上焊接，且Ni-P層上濺射了0.1μm厚的Au層。激光焊接能量為7.5mJ。回流峰值溫度為250℃。

圖1. (a)硅基中介層；(b)激光焊接示意圖; (c)回流曲線；(d)剪切測(cè)試。

不同的焊接工藝獲得的初始SAC305微凸點(diǎn)的界面IMC以及焊料基體的厚度和形貌存在明顯差異。 激光焊接后的界面IMC呈顆粒狀，厚度為0.6μm，而回流焊后的IMC呈針狀，厚度為1.3μm。同時(shí)，激光焊接的微凸點(diǎn)基體存在小粒狀(Cu, Ni)6Sn5顆粒，而回流焊的微凸點(diǎn)基體中發(fā)現(xiàn)相對(duì)較大的IMCs顆粒。此外，Ni-P UBM在回流焊時(shí)被大量消耗，而在激光焊接中被消耗較少。

圖2. SAC305/Ni-P微凸點(diǎn)SEM圖。(a1-a3)激光焊接; (b1-b3)回流焊。

圖3顯示了激光焊接和回流焊SAC305微凸點(diǎn)在 150°C 等溫老化不同時(shí)間后的微觀結(jié)構(gòu)?？梢园l(fā)現(xiàn)無論何種焊接工藝，IMC的厚度都會(huì)隨著老化時(shí)間增加而增加。激光焊接微凸點(diǎn) (Cu,Ni)6Sn5由小顆粒狀轉(zhuǎn)變?yōu)樯蓉悹?，而回流焊微凸點(diǎn)中的IMC由針狀逐漸生長為短棒狀。 此外，由于激光焊接的(Cu, Ni)6Sn5體積小晶界大，原子擴(kuò)散更容易導(dǎo)致晶粒的生長速度明顯更快。但是，激光焊接IMC 厚度依舊比回流焊接IMC 薄得多。

圖3. 老化100h, 200h, 400h后的微凸點(diǎn)SEM圖。(a1-b3)激光焊接; (c1-d3)回流焊。

剛焊接完成時(shí)，激光焊接微凸點(diǎn)的剪切強(qiáng)度略高于回流焊接微凸點(diǎn)。Wu等人認(rèn)為激光焊接析出的微小顆粒更多，可以抑制裂紋擴(kuò)展。當(dāng)老化時(shí)間達(dá)到100h，兩種焊接工藝的微凸點(diǎn)剪切強(qiáng)度均明顯下降。隨著老化時(shí)間進(jìn)一步增加，微凸點(diǎn)的剪切強(qiáng)度變化變得不明顯。 此外對(duì)于多次回流而言，激光焊接可以使微凸點(diǎn)剪切強(qiáng)度更高。 隨著回流次數(shù)的增加，激光焊接和回流焊微凸點(diǎn)的剪切強(qiáng)度均輕微下降。

圖4. 不同老化時(shí)間對(duì)微凸點(diǎn)剪切強(qiáng)度的影響。

Wu, Y., Zhang Z.J., Chen, L.D. & Zhang, S.Y. (2024). Comparative study on the bonding property of laser and reflow soldered Sn-3.0Ag-0.5Cu/Ni–P microbumps after isothermal aging and multiple reflowing. Journal of Material Research and Technology, vol.29.

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