活化氫氣氛下的無助焊劑焊接

C.Christine Dong，Richard E.Patrick，Russell A.Siminski，Tim Bao

（1.Air Products and Chemicals，Allentown，PA 18195-1501，USA；2.Air Products and Chemicals，Shanghai 201203，China）

活化氫氣氛下的無助焊劑焊接

C.Christine Dong1，Richard E.Patrick1，Russell A.Siminski1，Tim Bao2

（1.Air Products and Chemicals，Allentown，PA 18195-1501，USA；2.Air Products and Chemicals，Shanghai 201203，China）

介紹了一種新穎的基于電子附著（Electron Attachment，EA）原理的氫氣活化技術(shù)，可以實現(xiàn)在大氣壓力和正常焊接溫度下的無助焊劑焊接。該技術(shù)有望被應(yīng)用于電子封裝行業(yè)的諸多領(lǐng)域。

電子附著；活化氫；無助焊劑焊接；電子封裝；氧化物去除；助焊劑殘留；氫負(fù)離子

集成電路（Integrated Circuit，IC）的封裝趨勢正在向著多層化即三維化方向發(fā)展，且元件的功能更多，尺寸更小。這一發(fā)展趨勢使得接點的互連變得更具挑戰(zhàn)。而確保接點處的導(dǎo)電與機械性能的關(guān)鍵是將焊料和被焊金屬表面的氧化物去除干凈，此通常是通過使用有機助焊劑來實現(xiàn)的。其去除氧化物的能力歸因于助焊劑中的有機酸：

可是，助焊劑的使用又給電子封裝工藝帶來了許多問題，尤其是助焊劑的殘留。不管使用哪種類型的助焊劑都不可避免地會產(chǎn)生殘留，而在高可靠性的封裝件中不允許有任何殘留的存在。隨著電子器件小型化的趨勢，助焊劑殘留的清洗變得越來越困難。因此，近年來無助焊劑焊接獲得了更多的關(guān)注。

無助焊劑焊接主要是利用還原性氣氛來去除

2　電子附著

2.1原理

電子附著（EA）的定義如下：當(dāng)?shù)湍茈娮?，如低?0 eV，與氣體分子碰撞時，有些可被氣體分子捕獲，通過解離或直接附著的方式產(chǎn)生負(fù)離子［1］。

反應(yīng)式（2）描述了氫分子的解離性附著，其中一個氫分子（H2）與電子（e─）結(jié)合，產(chǎn)生激發(fā)態(tài)的分子型氫負(fù)離子隨后又解離而得到原子型氫負(fù)離子（H─）和中性氫原子（H）。該中性氫原子可通過直接附著再次捕獲一個電子［見式（3）］，形成激發(fā)態(tài)原子型氫負(fù)離子而激發(fā)態(tài)的原子型負(fù)離子又可通過釋放光子或與氮分子碰撞來獲得穩(wěn)定性。氮氣作為稀釋氣體對EA是惰性的，因為它的電子親和能接近于零。由于所施加電場的驅(qū)動，EA下形成的原子型氫負(fù)離子，會自動移向焊接表面進(jìn)行還原反應(yīng)。反應(yīng)式（4）給出了還原一氧化錫的例子。反應(yīng)中生成的水蒸氣能夠順著氣流排出爐外，自由電子則可采用適當(dāng)方式被去除。

2.2EA的優(yōu)勢

EA下形成的原子型氫負(fù)離子具有高效還原性能，因為它不僅擺脫了化學(xué)鍵的束縛，而且作為強電子供體可促進(jìn)氧化物的還原。與常規(guī)等離子體不同，EA狀態(tài)下的帶電環(huán)境是負(fù)電性的，這使得氫負(fù)離子間產(chǎn)生相互排斥，從而延長了活性粒子在大氣壓下的壽命。與中性氣體分子或原子的隨機擴(kuò)散相比，EA下產(chǎn)生的氫負(fù)離子可在電場驅(qū)動下定向且迅速地到達(dá)焊接表面，從而提高了活性粒子的利用率。此外，大氣壓力比真空更有利于電子附著及負(fù)離子的形成。這是因為電子與氣體分子間的碰撞頻率在大氣壓下顯著增加，這不僅有利于形成低能量的電子，同時也增加了電子接觸到氣體分子從而被捕獲的概率。因此，用EA來活化氫氣從而實現(xiàn)無助焊劑的焊接被認(rèn)為是有前途的。

2.3EA過程的建立

圖1展示了在用于回流焊的開放式隧道爐中建立EA的例子。一個含有大量針頭的電子發(fā)射裝置被安裝于爐膛頂部。將不可燃性氮氫（＜4%氫）混合氣通入爐內(nèi)，待焊接的電子元件被裝載于爐子的傳送裝置上，并被連續(xù)地從爐子的入口端輸送到出口端。當(dāng)元件通過電子發(fā)射裝置的下方時，將完全處于EA活化的氣氛之中。在完成了EA下的表面清理后，電子元件才開始經(jīng)歷正常的回流和冷卻過程。

圖1　回流爐中EA的建立

用EA來實現(xiàn)無助焊劑焊接的最大挑戰(zhàn)是要在大氣壓力下產(chǎn)生大量的低能電子。目前沒有市售的電子發(fā)射裝置能夠滿足此應(yīng)用的要求。因此，我們開發(fā)了一套擁有專利技術(shù)的電子發(fā)射裝置。該裝置自含陽極和陰極，可在2～3 kV直流脈沖電壓下，獨立發(fā)射電子。如果位于該裝置下方的焊接表面不能接地來釋放電荷，該裝置還可自動收集累積在焊接表面上的自由電子從而使電子發(fā)射持續(xù)不斷。

圖2展示了具有75 mm×75 mm（3英寸×3英寸）大小的電子發(fā)射模塊。把若干這樣的模塊集成在一起，即可實現(xiàn)大規(guī)模的電子發(fā)射。圖3顯示出該模塊在一個電絕緣玻璃上方發(fā)射電子的狀態(tài)。當(dāng)啟動所需電源，模塊上的所有放電尖端隨即亮起，這主要是由于尖端周圍的氣體分子被激發(fā)而引起的。模塊上亮起的尖端陣列被反射在玻璃表面。

圖2　電子發(fā)射模塊

圖3　絕緣玻璃上方的電子發(fā)射

3　原理驗證

3.1氫分子的解離

用EA活化氫氣的最基本理論是氫分子的解離性附著，即由于氫分子捕獲電子而自動解離，生成中性氫原子和原子型氫負(fù)離子（2）。為了驗證，我們用質(zhì)譜儀（MS）來探測在280℃含有氫（H2）和氘（D2）的爐氣環(huán)境下氫-氘（HD）的形成。如圖4中所示，當(dāng)EA開始于t=15 min時，HD譜線的強度隨之突然增加，而當(dāng)EA停止于t=25 min后，HD的強度又迅速恢復(fù)其原始狀態(tài)。H2和D2的譜線強度也有相應(yīng)的變化。這一結(jié)果證實了氫分子在EA作用下的確發(fā)生了解離。

3.2焊料濕潤

將一個圓片狀的無助焊劑焊料預(yù)制件放在一個銅片上，再將其加熱于含有或不含EA的氮氫（體積4%氫）混合氣中。在未施加EA的情況下，熔融焊料仍保持其圓片形狀（圖5a）。當(dāng)加熱過程中施加了EA，焊料熔化后則順利鋪展且形成光滑表面（圖5b）。這一試驗被重復(fù)用于表1中所列出的不同焊料。如表中所示，被觀察到的焊料潤濕溫度一般與其熔點非常接近。這一結(jié)果充分顯示了EA去除氧化物的效率。

圖4　質(zhì)譜分析顯示EA下的反應(yīng)

圖 5 EA對焊料潤濕性的影響

表1　EA下焊料的潤濕溫度

4　應(yīng)用示范

4.1晶圓凸點

晶圓凸點工藝是在晶圓被切割成芯片之前的整個硅圓上形成焊料凸點的過程。所形成的焊料凸點在倒裝芯片組件中被用作電氣、機械和安裝接點。在晶圓凸點工藝中，需使用回流工藝將所沉積的焊料與焊盤形成金屬接合，并使焊料通過熔化而實現(xiàn)球狀凸點表面。圖6示出了晶圓上的錫-銀凸點在回流前后的各種形態(tài)。在未施加EA的情況下，回流后的凸點表面崩塌且形變不完全，這是由于焊料熔融時受到其氧化表皮的限制。而當(dāng)回流中施加了EA，焊料凸點形變充分且表面光滑，顯示出在焊料熔融時其氧化表皮已被清理。

圖6　EA對焊料回流的影響

4.2倒裝芯片的鍵合

兩個倒裝芯片被手工放置在印有菊花鏈的印刷電路板（PCB）上的相應(yīng)位置（圖7a）。每個芯片上的焊料凸點為錫-鉛成分，且其直徑為100 μm。為了有利于演示，菊花鏈的末端被接地以釋放電荷。當(dāng)PCB被加熱至焊料回流溫度（220℃）并被暴露于EA 30 s后，菊花鏈瞬間亮起（圖7b），這表明焊點的自動對位和連接已完成，因此電路開始獲得良好的連續(xù)性。

圖7　倒裝芯片在EA作用下的鍵合

4.3芯片貼裝

芯片貼裝是將含有集成電路的單個裸芯片貼附并接合于基板或封裝基座的制作過程。對于高功率應(yīng)用中的電子器件，其芯片貼裝需采用焊料預(yù)制片來形成金屬性接合。為了實現(xiàn)高效率的傳熱與導(dǎo)電，焊接處必須盡量減少空洞的產(chǎn)生。用EA代替助焊劑來進(jìn)行焊接表面的清理能徹底根除助焊劑蒸汽的生成，因此可大大降低形成空洞的傾向［3］。如圖8a所示，在通常的助焊劑焊接下，尺寸為2 mm×2 mm的芯片接合面上產(chǎn)生了24%的空洞。作為比較，采用EA（圖8b）對相同尺寸的芯片進(jìn)行無助焊劑焊接，則沒有發(fā)現(xiàn)任何空洞。

圖8　EA在芯片貼裝中對減少空洞的功效

5　結(jié)　論

我們開發(fā)了一種以電子附著為基礎(chǔ)的新型無助焊劑焊接技術(shù)，并對其效率和效益進(jìn)行了展示。這一技術(shù)的突破性不僅體現(xiàn)在用電子附著來活化氣體的概念，而且來自于所開發(fā)的一套實現(xiàn)電子附著工藝的裝置。我們正在測試具有EA能力的大型樣機，并會將這一技術(shù)盡快推向市場，服務(wù)于我們的客戶。

［1］ H.S.W.Massey，Negative Ions，Cambridge，U.K.：Cambridge Univ.Press，1950，32-83.

［2］ C.ChristineDong，RichardE.Patrick，EugeneJ.Karwacki.無助焊劑焊接的新突破：氫離子回流焊［EB/OL］.http：//www.smtchinamag.com/PDF/2013/0405/Tech_Features 2.pdf，表面組裝技術(shù)，2013，4/5，23-30.

［3］ C.Christine Dong and Russell Siminski.Fluxless Die Attach by Activated Forming Gas［EB/OL］.http：//www.circuitinsight.com/pdf/fluxless_die_attach_ipc.pdf，Proceedings of IPC APEX EXPO Conference&Exhibition 2013，San Diego，CA，USA，19-21 Feb.2013，vol.3，1900-1929.

Fluxless Soldering in Activated Hydrogen Atmosphere

C.Christine Dong1，Richard E.Patrick1，Russell A.Siminski1，Tim Bao2
（1.Air Products and Chemicals，Allentown，PA 18195-1501，USA；2.Air Products and Chemicals，Shanghai 201203，China）

A novel hydrogen activation technology based on electron attachment（EA）is developed for fluxless soldering at ambient pressure and normal soldering temperature.The technology has a potential to be used for a list of applications in the electronics packaging industry.

Electron attachment；Activated hydrogen；Fluxless soldering；Electronics packaging；Oxide removal；Flux residues；Hydrogen anion

TN405.98

A

1004-4507（2016）08-0001-05

2016-06-10氧化物。但是，現(xiàn)有的無助焊劑技術(shù)都存在不同的問題。例如，甲酸蒸氣雖已在某些場合使用，但其氧化物去除的機理與有機助焊劑式（1）并無本質(zhì)上的區(qū)別。因此，只是減少了殘留，而并未完全消除殘留。以氫氣作為還原氣體去除焊接表面的氧化物是非常有吸引力的，因為在氧化物的去除過程中不會產(chǎn)生殘留物和揮發(fā)性有機物。然而，在正常的焊接溫度范圍內(nèi)，氫氣分子去除氧化物的效率太低。我們知道氫氣的還原性在等離子狀態(tài)下可顯著增加，但是，這種方法往往需要真空，因為在大氣壓下，等離子氫的穩(wěn)定性不夠。真空工藝不僅增加費用而且無法與連續(xù)生產(chǎn)線配套。因此，我們的目標(biāo)是開發(fā)一種可在大氣壓力和正常焊接溫度下實施的無助焊劑焊接新技術(shù)，這種技術(shù)利用電子附著（EA）原理來活化不可燃性氮氫（＜4%氫）混合氣中的氫氣，從而達(dá)到去除氧化物的目的。