无铅锡膏使用_微电子与半导体焊接微冶金过程
无铅锡膏使用_微电子与半导体焊接微冶金过程
微电子和半导体的封装过程是为了实现芯片和PCB之间的电，热连通。通常需要使用锡膏作为芯片和PCB间填充材料。当无铅锡膏通过印刷，点胶或喷印等手段涂覆到母材表面并完成元件的贴装之后，需要采取回流工艺完成焊接工作。无铅锡膏在回流加热过程会与焊接母材发生一系列反应。例如，锡膏助焊剂成分会改变焊接母材和锡膏合金粉末表面的张力，使得焊料能在焊盘铺展。同时助焊剂能还原焊盘上的氧化物。最后在加热条件下锡膏会与焊盘发生冶金反应完成连接。那么什么是冶金连接呢?
冶金连接机理
焊点的高机械强度依赖优秀的冶金连接。冶金连接指的通过加热手段，使无铅锡膏和焊接母材间形成原子级的冶金结合并形成永久性焊点。冶金连接本质上是通过原子扩散来实现的。锡膏金属原子和焊盘铜原子在加热作用下相互扩散并消耗，在焊料和焊盘界面形成特定金属间化合物(IMC)。IMC随后会成核并生长，从而形成焊料和焊盘间的冶金连接。IMC类型可通过金属相图确定。
例如，当使用SnAg3Cu0.5无铅锡膏和Cu焊盘进行加热焊接时，Cu原子会进行晶界扩散至焊料和焊盘的界面处。然后Cu原子会溶解到焊料中，在界面与焊料Sn原子以特定原子比例形成连续的IMC层。由于在回流过程中无铅锡膏的Sn原子充足，因此主要形成的IMC是Cu6Sn5。Cu6Sn5在生长过程中会逐渐熟化变成扇贝形状 (图1)。随着时间推进，还会生成另一种IMC叫Cu3Sn, Cu3Sn 的出现伴随着Sn和Cu6Sn5的消耗。
图1. SAC305锡膏焊接IMC生长过程 (Lee 和 Mohamad, 2013)。
在回流中，除了Cu6Sn5和Cu3Sn，熔融焊料中的Sn和Ag也会反应，从而在焊料内部生成少量的Ag3Sn。在无铅锡膏固化后，Ag3Sn在IMC层附近均匀散布。Ag3Sn的生长与焊料中的Ag含量有关。当Ag含量在4wt%以上，会出现大块Ag3Sn。
锡膏量和回流时间对冶金连接的影响
冶金连接过程生成IMC种类和数量取决于锡膏金属成分和锡膏量。当锡膏充足，Sn持续向Cu焊盘界面扩散，Cu6Sn5层更厚。此外，Sn含量高会导致回流中出现球形Cu6Sn5。
随着回流时长增加，Sn会逐渐消耗，Sn扩散率降低，Cu6Sn5层厚度趋于稳定。此时Cu3Sn IMC开始缓慢生长。总IMC厚度仍会继续增加。通常在热老化过程中Sn会完全消耗，Cu6Sn5会开始分解并在Cu焊盘一侧形成更多Cu3Sn。Cu3Sn的过度生长产生的影响是负面的，会导致焊点变脆，使焊点更易发生脆性断裂。
图2. 不同回流时间SAC305-Cu焊盘界面的IMC生长情况 (Lee 和 Mohamad, 2013)。
深圳市福英达能提供用于回流焊接工艺的锡膏产品，并能为客户提供回流曲线建议，帮助客户控制焊接产品IMC层厚度和改善焊点性能。
参考文献
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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