通過表面處理實(shí)現(xiàn)高可靠性無鉛焊點(diǎn)
通過表面處理實(shí)現(xiàn)高可靠性無鉛焊點(diǎn)
福英達(dá)——研發(fā)中心——羅樹全
摘要
隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷更新發(fā)展，電子封裝的小型化、高速化、高可靠性要求的提高，對(duì)電子封裝過程中的精細(xì)化工藝提出了更高的要求，從而使達(dá)到封裝的要求。這里我們說到的電子封裝基材表面處理是說對(duì)不同焊接基板進(jìn)行物理或化學(xué)處理的方法，從而達(dá)到焊接焊點(diǎn)的可靠性。
化學(xué)鍍是不使用加電流的方式，僅靠鍍液中的還原劑進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，在金屬表面的催化作用下使金屬離子不斷沉積于金屬表面的過程。由于化學(xué)鍍必須在具有自催化性的材料表面專題進(jìn)行，因而化學(xué)鍍又稱“自催化鍍”。常見的化學(xué)鍍有鍍鎳、鍍金、鍍銅、鍍鈷等。經(jīng)過不同的化學(xué)鍍層，使其焊接基板上形成一層保護(hù)鍍層，在焊接過程中起到正面的作用，從而實(shí)現(xiàn)高可靠性焊點(diǎn)的連接，在電子封裝領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。
一、關(guān)于浸錫的問題
1.1鍍錫過程需要更長(zhǎng)的時(shí)間
鍍錫就是把需要焊接基板，放進(jìn)金屬鹽溶液中，在化學(xué)置換原理下使其焊接基板沉積出金屬層，以此到達(dá)所需的焊接效果。
浸錫過程中由于工藝復(fù)雜一般需要時(shí)間10~15分鐘；而使用OSP工藝的話就大大縮減，一般需要1分鐘；浸銀工藝過程時(shí)間也比較短，一般需要0.5~3分鐘。
1.2銅在鍍錫過程中的積累，鍍錫層厚度和成本的分析
在浸錫過程中，使用硫脲化學(xué)試劑使Sn2+被Cu2+取代，每個(gè)錫原子的沉淀就會(huì)有兩個(gè)Cu2+形成，因此錫將取代銅。而在浸銀過程中，每個(gè)錫原子的沉淀就會(huì)有半個(gè)Cu2+形成。在浸錫和浸銀的過程中都避免不了有銅的積累。
在鍍錫過程中，為了使焊后接焊點(diǎn)可靠性更加穩(wěn)定，我們通常將鍍錫的厚度控制在1~1.2微米左右，是鍍銀厚度的5~6倍。
在成本方面，浸錫工藝的成本是0.5美元/平方米；而OSP工藝的成本要大大的降低是0.15美元/平方米；浸銀工藝則是0.15~0.25美元/平方米。
二、關(guān)于鎳沉金的問題
2.1鎳沉金的優(yōu)點(diǎn)和造成黑盤的原因
鎳沉金工藝就是在銅的焊接基板上經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)置換出鈀，再在鈀核上化學(xué)鍍上一層鎳磷合金層，然后通過置換反應(yīng)在鎳上鍍一層金。鎳沉金表面處理具有平整度高、接觸電阻低、耐磨性、耐熱性好及貯存時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，且其兼具可焊接、可觸通、可打線與可散熱四種功能于一身，一向廣泛應(yīng)用于各種密集組裝板類，具有其它表面處理所無法取代的地位。金屬離子沉淀不需要經(jīng)過電氣連接，能耗上比電鍍更有優(yōu)勢(shì)。
在浸金工藝過程中如果我們處理不當(dāng)，就會(huì)造成基板腐蝕，使其浸金的過程造成了黑盤現(xiàn)象，下面圖像可以看出腐蝕進(jìn)一步改變了表面的結(jié)構(gòu)[1]，
2.2在鎳層中加入磷可以提高焊盤的耐腐蝕性，對(duì)焊點(diǎn)可靠性增加
經(jīng)過大量數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)證明在鎳盤中加入磷會(huì)增加焊盤的耐腐性，使得焊點(diǎn)可靠性得以加強(qiáng)。下圖是加入不同含量磷的鎳盤在通二氧化硫氣體下的腐蝕程度[2]
從上圖可以得出，在鎳層中加入9%及以上的磷含量焊盤的耐腐蝕性效果最佳
三、關(guān)于浸銀的問題
3.1在IMC(0.25mil)的橫截面高低都存在很多微小的空洞
我們?cè)诤附舆^程中效果不佳時(shí)，使得焊點(diǎn)的IMC層的可靠性出現(xiàn)問題，產(chǎn)生許多空洞，如圖所示[3]，
我們?cè)诤附訒r(shí)基板的銅會(huì)受到不同程度的腐蝕，從而產(chǎn)生銅坑，在焊點(diǎn)里面產(chǎn)生空洞現(xiàn)象，如下圖所示[4]
四、總結(jié)
焊接基材的表面處理最基本的目的是保證良好的可焊性或電性能，使其在焊接過程中形成的焊點(diǎn)可靠性加強(qiáng)。我們焊接所用的基材大部分是銅成分，由于自然界的銅在空氣中傾向于以氧化物的形式存在，不大可能長(zhǎng)期保持為原銅，因此需要對(duì)銅進(jìn)行其他處理。在后續(xù)的組裝中，可以采用強(qiáng)助焊劑除去大多數(shù)銅的氧化物。強(qiáng)助焊劑因其不易去除，所以很少采用。采用浸錫，浸銀，化鎳金等表面處理工藝，能夠有效的保證良好的可焊性，電性能以及焊點(diǎn)可靠性，在半導(dǎo)體封裝領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。
福英達(dá)專注于微電子與半導(dǎo)體封裝焊料領(lǐng)域20余年，福英達(dá)工業(yè)科技有限公司是一家全球領(lǐng)先的微電子與半導(dǎo)體封裝材料方案提供商，國家高新技術(shù)企業(yè)，深耕于微電子與半導(dǎo)體封裝材料行業(yè)，從合金焊粉到應(yīng)用產(chǎn)品線完整，是目前全球唯一可制造T2-T10全尺寸超微合金焊粉的電子級(jí)封裝材料制造商。福英達(dá)公司錫膏、錫膠及合金焊粉等產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于微電子與半導(dǎo)體封裝的各個(gè)領(lǐng)域。得到全球SMT電子化學(xué)品制造商、微光電制造商和半導(dǎo)體封裝測(cè)試商的普遍認(rèn)可。但微電子與半導(dǎo)體封裝材料問題廣泛，在此我們僅就常見問題展開了敘述。因工藝過程不同，其過程中所涉及到的問題也可能不盡相同。歡迎您就具體問題與我們的專業(yè)人員進(jìn)行溝通討論。我們希望同合作伙伴共同與時(shí)俱進(jìn)，共同探究新問題、新技術(shù)以及復(fù)雜工藝，努力為合作伙伴提供專業(yè)、周到的微電子與半導(dǎo)體封裝焊接材料服務(wù)。
參考文獻(xiàn)
[1]Zequn Mei, Samuel K. Liem, and Allan Shih, “A Failure Analysis and Rework Method of Electronic Assembly on Electroless Ni / Immersion Au SurfaceFinish”, SMTA, Chicago, IL, 1999.
[2]Masahiro Nozu, Akira Kuzuhara, Atsuko Hayashi, Hiroshi Otake, Shigeo Hashimoto, and Donald Gudeczauskas (C.Uyemura & Co.,Ltd.), “High Phosphorous Electroless Nickel Process for Mobile Phone PWBs”, Apex, S10-1-1, Anaheim, CA, Feb, 2004
[3]Muffadal Mukadam, Norman Armendariz*, Raiyo Aspandiar, Mike Witkowski, Victor Alvarez, Andrew Tong, Betty Phillips, and Gary Long (Intel Corporation), " PLANAR MICROVOIDING IN LEAD-FREE SECOND-LEVEL INTERCONNECT SOLDER JOINTS", SMTAI, September, 2006, Chicago, IL
[4]Muffadal Mukadam, Norman Armendariz*, Raiyo Aspandiar, Mike Witkowski, Victor Alvarez, Andrew Tong, Betty Phillips, and Gary
Long (Intel Corporation), " PLANAR MICROVOIDING IN LEAD-FREE SECOND-LEVEL INTERCONNECT SOLDER JOINTS",
SMTAI, September, 2006, Chicago, IL
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