SAC305微焊點(diǎn)釬焊工藝的優(yōu)化研究

摘 要：文章采用了生產(chǎn)性實(shí)驗(yàn)方法，對電子產(chǎn)品封裝時(shí)采用的釬焊技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，通過研究發(fā)現(xiàn)：電子產(chǎn)品封裝用釬焊技術(shù)形成的微焊點(diǎn)存在空洞、冷焊、焊球形成、橋接、裂紋、殘余應(yīng)力、電遷移等焊接缺陷，通過對缺陷形成原因的分析，制定了更為合理的釬焊工藝；重點(diǎn)研究了電遷移的形成機(jī)制和危害性，并提出了可行性的解決方案。

關(guān)鍵詞：電子封裝 焊接缺陷 釬焊工藝 電遷移

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)是制造行業(yè)中十分重要的領(lǐng)域之一，具有附加值高和更新?lián)Q代快等特點(diǎn)，圍繞半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)形成的產(chǎn)業(yè)鏈主要有芯片設(shè)計(jì)、晶圓制造和封裝測試等。目前，全世界只有美國和日本有自己完整的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈，我國在芯片設(shè)計(jì)和封裝測試等方面具有一定的技術(shù)優(yōu)勢和價(jià)格優(yōu)勢，但是在晶圓制造技術(shù)和納米級(jí)的光刻技術(shù)上落后上述國家至少3～5年。

隨著人們對電子產(chǎn)品功能多樣化的不斷追求，比如對手機(jī)，有著小巧便攜、功能強(qiáng)大等要求。在其它領(lǐng)域的要求也與之相似，甚至更高。市場需求的不斷提高，對半導(dǎo)體材料、芯片制造和封測技術(shù)的要求也隨之更高。

在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中，封裝技術(shù)對于確保產(chǎn)品質(zhì)量至關(guān)重要，其中釬焊技術(shù)尤為關(guān)鍵。提高釬焊質(zhì)量，是當(dāng)前封裝領(lǐng)域亟待突破的核心技術(shù)之一。

1 電子產(chǎn)品封裝用釬焊技術(shù)目前存在的問題及研究現(xiàn)狀

1.1 電子產(chǎn)品封裝用釬焊技術(shù)目前存在的問題

對電子產(chǎn)品封裝采用釬焊技術(shù)時(shí)，釬焊形成的焊縫（因其直徑、高度均很小，所以通常稱之為微焊點(diǎn)）的質(zhì)量是保證電子產(chǎn)品質(zhì)量的重要保障。隨著電子產(chǎn)品的應(yīng)用范圍越來越廣，應(yīng)用環(huán)境越來越復(fù)雜，微焊點(diǎn)出現(xiàn)質(zhì)量方面的事故時(shí)有發(fā)生，當(dāng)微焊點(diǎn)出現(xiàn)諸如裂紋、脫落、氧化等缺陷時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致電子產(chǎn)品出現(xiàn)短路、開路、漏電、燒毀、翹曲變形、參數(shù)漂移等失效形式。

造成以上失效形式的原因主要與釬焊材料、釬焊設(shè)備、釬焊工藝等因素有關(guān)，此外，還與封裝材料、外部環(huán)境也有一定的關(guān)系，如爆米花效應(yīng)、環(huán)境腐蝕等。

1.2 電子產(chǎn)品封裝用釬焊技術(shù)的研究現(xiàn)狀

為了獲得可靠性更高的微焊點(diǎn)，國內(nèi)外的學(xué)者進(jìn)行了一系列的研究。高麗茵、Tu K N等人從三維集成封裝技術(shù)方面進(jìn)行了研究[1-2]。Subramanian K N等人從Sn-Zn合金的潤濕性、抗氧化性、力學(xué)性能及熱學(xué)性能方面進(jìn)行了研究[3]。Yang W、Sona M等人通過對釬料成分的改組，將原來的含鉛料改為Sn-Ag和Sn-Ag-Cu無鉛焊料合金，并研究了其潤濕性和表面張力等性能，發(fā)現(xiàn)該釬料的性能優(yōu)良，并得到了市場的認(rèn)可[4-5]。Li Y等人針對焊料高熔點(diǎn)引起的翹曲變形問題，研究了SnBi、SnBi-Ag系列焊料，該系列焊料具有低熔點(diǎn)（139℃）、潤濕性好、在電-熱-力耦合場作用下力學(xué)性能優(yōu)良、價(jià)格便宜、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)[6]。

隨著封裝微焊點(diǎn)尺寸的微型化（目前較小的約為50um左右），其單位面積上承載的電流密度將進(jìn)一步增大，研究表明，當(dāng)微焊點(diǎn)的尺寸小于100um時(shí)，其單位面積上承載的電流密度將會(huì)大于103A/cm2。盡管SnBi、SnBi-Ag系焊料有著多方面的優(yōu)點(diǎn)，但隨著封裝微焊點(diǎn)尺寸的不斷縮小，在高密度電流的作用下，微焊點(diǎn)中Sn基體原子還是容易發(fā)生定向遷移并形成電遷移危害。與其它缺陷相比，電遷移的危害主要體現(xiàn)在產(chǎn)品服役期間。產(chǎn)品在出廠時(shí)是合格產(chǎn)品，服役一段時(shí)間后將會(huì)出現(xiàn)因電阻增加、局部熱點(diǎn)、電路斷路或短路引起的電路失效和可靠性降低等問題，從而引起設(shè)備故障，這些故障可能不會(huì)立即出現(xiàn)，但隨著產(chǎn)品服役時(shí)間的推移，可能會(huì)逐漸顯現(xiàn)出來，特別是長時(shí)間運(yùn)行于高負(fù)載下的集成電路，極有可能造成重大事故。

2 SAC305微焊點(diǎn)釬焊工藝的優(yōu)化研究

為了提高電子產(chǎn)品封裝用釬焊技術(shù)的焊接質(zhì)量和可靠性，課題組與某封裝生產(chǎn)廠家就其產(chǎn)品中存在的問題共同進(jìn)行了一系列的研究，研究的重點(diǎn)主要是電遷移現(xiàn)象。

2.1 SAC305微焊點(diǎn)釬焊焊料的研究

釬焊所用的焊料型號(hào)、牌號(hào)眾多，從文章1.2的敘述可知，有很多學(xué)者在持續(xù)不斷的從焊料的組成元素、成分含量、制作工藝等方面來進(jìn)行研究，旨在提高釬焊的微焊點(diǎn)質(zhì)量。

文章選用了常用的SAC0307、SAC305、Sn-58Bi、Sn-57.6Bi-0.4Ag等幾種焊料作對比研究，發(fā)現(xiàn)：SAC0307和SAC305相比，其物理性能較低；Sn-58Bi、Sn-57.6Bi-0.4Ag焊料中Bi生成的IMC可導(dǎo)致界面組織粗化，界面強(qiáng)度降低。

相比之下，SAC305從價(jià)格、工藝性、焊點(diǎn)可靠性等方面來說較為適合該企業(yè)的生產(chǎn)需求。SAC305的成分配比為Sn（96.5%）、Ag（3.0%）、Cu（0.5%）。SAC305焊料有不含鉛、環(huán)境污染小、良好的機(jī)械性能和抗疲勞強(qiáng)度、良好的潤濕性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于PCB的組裝等方面。SAC305焊料的缺點(diǎn)是Ag和Cu元素的加入提高了成本，焊接時(shí)需要更精確的溫度控制以確保焊接質(zhì)量。

2.2 SAC305微焊點(diǎn)釬焊設(shè)備及工藝

2.2.1 SAC305微焊點(diǎn)釬焊設(shè)備

SAC305微焊點(diǎn)釬焊采用的設(shè)備是回流爐，它是SMT技術(shù)中的關(guān)鍵設(shè)備，其外形如圖1所示，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

2.2.2 SAC305微焊點(diǎn)釬焊工藝

SAC305微焊點(diǎn)釬焊工藝流程圖如圖3所示。

文章以釬焊過程作為研究的重點(diǎn)，焊前準(zhǔn)備和焊后處理不再敘述。SAC305微焊點(diǎn)釬焊時(shí)的關(guān)鍵工藝參數(shù)如下。

2.2.3 SAC305微焊點(diǎn)釬焊存在的缺陷及形成原因

焊接完成后，經(jīng)檢驗(yàn)，95%以上的產(chǎn)品均為合格品，但有5%的產(chǎn)品仍然存在以下類型的缺陷。

（1）空洞：主要包括氣泡或空洞?？斩吹闹饕问綖榭驴线_(dá)爾空洞，形成柯肯達(dá)爾空洞的主要原因是：作為釬焊，其實(shí)質(zhì)是異種金屬焊接，不同金屬之間的金屬原子擴(kuò)散速度存在差異。氣泡或空洞的存在，減小了微焊點(diǎn)的有效截面面積，降低了微焊點(diǎn)的力學(xué)承載能力。

（2）冷焊：由于溫度不足導(dǎo)致焊料未能充分熔化和流動(dòng)，造成焊點(diǎn)不完整或不均勻。

（3）焊球形成：有時(shí)會(huì)在焊點(diǎn)周圍出現(xiàn)小的焊料顆粒，這些被稱為焊球，可能會(huì)導(dǎo)致短路。

（4）橋接：即相鄰焊點(diǎn)之間發(fā)生意外連接，通常由過量焊料或焊料流動(dòng)性過強(qiáng)引起。

（5）裂紋：由于材料熱膨脹系數(shù)不同或外力作用而產(chǎn)生，影響焊點(diǎn)可靠性。

（6）殘余應(yīng)力：引起殘余應(yīng)力的主要原因有熱膨脹系數(shù)不匹配、相變引起的宏觀及微觀體積變化、焊接速度與熱量輸入、冷卻速率等。

（7）電遷移：由于電子風(fēng)效應(yīng)、電流密度、溫度等原因?qū)е陆饘僭友仉娏鞣较虬l(fā)生遷移，將導(dǎo)致電路斷路或短路，從而引起設(shè)備故障。

2.2.4 SAC305微焊點(diǎn)釬焊中電遷移分析及解決措施

（1） SAC305微焊點(diǎn)釬焊中電遷移分析

經(jīng)過對成型微焊點(diǎn)的檢測分析，當(dāng)微焊點(diǎn)工作時(shí)的電流密度大于103A/cm2時(shí)，SAC305微焊點(diǎn)中基體原子容易發(fā)生定向遷移，從而引起電遷移危害，即出現(xiàn)組分偏析、空洞、裂紋、晶須、小丘等缺陷，焊點(diǎn)的力學(xué)性能也將發(fā)生塑-脆轉(zhuǎn)變。

此外，由于微焊點(diǎn)中β-Sn晶格的物理性質(zhì)具有各向異性的特點(diǎn)，當(dāng)Sn晶粒的c軸與電流方向平行時(shí)，陰極界面附近的空洞和裂紋缺陷特別明顯，微焊點(diǎn)容易失效。通過對SAC305微焊點(diǎn)在高密度電流作用下的微觀組織演變進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，極側(cè)Cu基底局部的溶解速度和相鄰的Cu晶粒的晶體取向之間具有相關(guān)性，在相同條件下，當(dāng)Cu晶粒的（010）晶面垂直或近似垂直于電流方向時(shí)溶解速度要比（111）晶面快[7]，其IPF-X圖如圖4所示。

（2） SAC305微焊點(diǎn)釬焊中電遷移解決措施

為了減輕電遷移對電路性能的影響，研究過程中采取的措施主要有。

a.材料選擇：使用抗電遷移能力更強(qiáng)的材料，銅原子比鋁原子更能抵抗電遷移，SAC305主要成分為Sn-Ag3.0-Cu0.5，Cu元素的加入有效提高了抗電遷移能力。

b.設(shè)計(jì)優(yōu)化：通過增大金屬線的橫截面積以減少電流密度，或是采用多層布線結(jié)構(gòu)來分散電流。

c.熱管理：通過優(yōu)化微焊點(diǎn)釬焊過程中的散熱能力降低工作溫度，減緩電遷移的發(fā)生速度。

3 結(jié)論

（1）現(xiàn)有的回流爐溫度控制的精度范圍較寬，精度較高的回流爐（可控溫度為0.5℃～1.0℃）能有效地改善合金熔化和良好的潤濕性，同時(shí)避免過高溫度導(dǎo)致的材料損傷。

（2） SAC305焊料含有一定量的Cu元素，含有Cu元素的焊料可有效地減少電遷移現(xiàn)象。

（3）SAC305微焊點(diǎn)在高密度電流作用下，極側(cè)Cu基底局部的溶解速度和相鄰的Cu晶粒的晶體取向之間具有相關(guān)性，在相同條件下，當(dāng)Cu晶粒的（010）晶面垂直或近似垂直于電流方向時(shí)溶解速度要比（111）晶面快。

基金項(xiàng)目：天水市科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“電子產(chǎn)品封裝用精密回流爐的研制及其工藝開發(fā)”（2022-FZJHK-9961）。

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