激光焊接和回流焊接對焊點的影響-深圳福英達
激光焊接和回流焊接對焊點的影響-深圳福英達
隨著“后摩爾時代”的到來，基于小芯片的異構(gòu)集成將會稱為半導體封裝的主流。小芯片趨于在3D方向上進行封裝，以實現(xiàn)靈活的模塊化集成和片上系統(tǒng)集成。但是3D封裝會帶來一些問題。大功率電子元件在使用過程中通常會散發(fā)大量熱量，這需要高熔點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。
實驗設(shè)計
激光焊接時快速變溫和短焊接時間（幾秒）會顯著影響界面IMC和焊料基體的微觀結(jié)構(gòu)，從而影響焊點的使用可靠性。為了研究激光焊接和回流焊對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)剪切測試。
實驗結(jié)果
不同的焊接工藝獲得的初始SAC305微凸點的界面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，激光焊接的微凸點基體存在小粒狀(Cu, Ni)6Sn5顆粒，而回流焊的微凸點基體中發(fā)現(xiàn)相對較大的IMCs顆粒。此外，Ni-P UBM在回流焊時被大量消耗，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微凸點在 150°C 等溫老化不同時間后的微觀結(jié)構(gòu)?？梢园l(fā)現(xiàn)無論何種焊接工藝，IMC的厚度都會隨著老化時間增加而增加。激光焊接微凸點 (Cu,Ni)6Sn5由小顆粒狀轉(zhuǎn)變?yōu)樯蓉悹睿亓骱肝⑼裹c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，原子擴散更容易導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SEM圖。(a1-b3)激光焊接; (c1-d3)回流焊。
剛焊接完成時，激光焊接微凸點的剪切強度略高于回流焊接微凸點。Wu等人認為激光焊接析出的微小顆粒更多，可以抑制裂紋擴展。當老化時間達到100h，兩種焊接工藝的微凸點剪切強度均明顯下降。隨著老化時間進一步增加，微凸點的剪切強度變化變得不明顯。 此外對于多次回流而言，激光焊接可以使微凸點剪切強度更高。 隨著回流次數(shù)的增加，激光焊接和回流焊微凸點的剪切強度均輕微下降。
圖4. 不同老化時間對微凸點剪切強度的影響。
參考文獻
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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