中溫焊料應(yīng)用_扇出型封裝焊料回流工藝優(yōu)化
中溫焊料應(yīng)用_扇出型封裝焊料回流工藝優(yōu)化
扇出型晶圓級(jí)封裝(FOWFLP)允許在芯片表面的外部實(shí)現(xiàn)更多的I/O，相比于扇入型封裝帶來(lái)更多優(yōu)勢(shì)。扇出型封裝的出現(xiàn)突破了設(shè)備中的I/O終端限制，被視為后摩爾時(shí)代的封裝解決方案。扇出封裝通常是在硅晶片上切割芯片，并將已知良好的芯片精確放置在薄的重構(gòu)或載體晶片上，然后對(duì)其進(jìn)行模制。然后在模制區(qū)域（芯片和扇出區(qū)域）的頂部形成再分線層(RDL)和放置焊料球。
SAC305無(wú)鉛焊料焊點(diǎn)測(cè)試
無(wú)鉛焊料球的制作可以用到中溫焊料如SAC305，通過(guò)BGA工藝移植到焊盤上。本文主要分析SAC305 BGA焊點(diǎn)的在扇出型封裝的可靠性，從而獲得最優(yōu)的回流工藝。可靠性可以通過(guò)焊點(diǎn)形態(tài)，剪切強(qiáng)度來(lái)確認(rèn)。Zhang等人為特定的扇出封裝設(shè)計(jì)了PCB板，通過(guò)控制不同回流時(shí)間和峰值溫度，對(duì)扇出型封裝器件(72個(gè)焊點(diǎn))進(jìn)行了可靠性測(cè)試，研究了焊點(diǎn)微觀結(jié)構(gòu)，剪切強(qiáng)度和失效模式。
圖1. 測(cè)試扇出型封裝設(shè)備 (Zhang et al., 2022)。
不同回流工藝測(cè)試結(jié)果
Zhang等人發(fā)現(xiàn)SAC305焊料球在230°C峰值溫度回流5s后與ENIG電極實(shí)現(xiàn)冶金連接形成金屬間化合物。在回流5秒的時(shí)候開始出現(xiàn)金屬間化合物，在這個(gè)階段金屬間化合物都是(Cu, Ni)6Sn5。但是厚度較薄，焊點(diǎn)冶金連接強(qiáng)度不足。(Cu, Ni)6Sn5隨著時(shí)間的增加而生長(zhǎng)，且晶粒逐漸粗化。此外，當(dāng)峰值回流溫度升到260°C回流10s后，(Cu, Ni)6Sn5晶粒在Sn-ENIG界面適度生長(zhǎng)。(Cu, Ni)6Sn5晶粒形狀以棒狀為主且分布均勻。隨著回流時(shí)間增加。脆性(Cu, Ni)6Sn5厚度大量增加會(huì)導(dǎo)致機(jī)械性能下降，從而增加焊點(diǎn)的斷裂概率。
圖2. 不同回流峰值溫度和時(shí)間對(duì)焊接微觀結(jié)構(gòu)影響 (Zhang et al., 2022)。
當(dāng)峰值溫度為260℃，回流時(shí)間增加到20s，Sn原子擴(kuò)散到含鎳焊盤的表面并到達(dá)焊盤下方流動(dòng)，與Cu原子反應(yīng)并轉(zhuǎn)化為(Cu, Ni)6Sn5。這導(dǎo)致焊盤體積收縮，容易從PCB上脫落。此外，在高溫下，回流時(shí)間太長(zhǎng)使得原子大量擴(kuò)散到PCB表面，增加了PCB表面的應(yīng)力，導(dǎo)致焊盤在使用過(guò)程中容易脫落, 因此焊點(diǎn)的可靠性較差(Zhang et al., 2022)。
圖3. 260℃峰值溫度回流20s導(dǎo)致IMC增厚和焊盤脫落 (Zhang et al., 2022)。
可以看到在260℃峰值溫度回流20s所形成的焊點(diǎn)在斷裂后留下了發(fā)黑的焊坑。在斷裂處只檢測(cè)到微量Au和Ni原子，Cu和Sn原子則消耗殆盡?？赡苁窃诟邷亻L(zhǎng)回流時(shí)間影響下被IMC生長(zhǎng)所消耗。如果回流溫度繼續(xù)升高到260℃以上，焊盤過(guò)度溶解，脫落風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步提高。
圖4. 260℃峰值溫度回流20s所形成的焊點(diǎn)失效模式 (Zhang et al., 2022)。
總結(jié)
過(guò)高回流溫度和過(guò)長(zhǎng)回流時(shí)間還會(huì)造成焊點(diǎn)氧化，導(dǎo)致更多孔洞形成。這嚴(yán)重降低了焊點(diǎn)的可靠性。此外，焊盤也會(huì)被進(jìn)一步溶解，從而減小焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度。因此Zhang等人認(rèn)為扇出型封裝最佳回流焊工藝溫度是時(shí)長(zhǎng)為260℃和10s。在這個(gè)回流參數(shù)下形成的SAC305焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度達(dá)到了216.41N。
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參考文獻(xiàn)
Zhang, S.Y., Duan, R., Xu, S.W., Xue, P.F., Wang, C.Q., Chen J.S., Paik, K.W. & He, P. (2022). “Shear performance and accelerated reliability of solder interconnects for fan-out wafer-level package”. Journal of Advanced Joining Processes, vol.5.
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