錫膏普遍用于半導(dǎo)體封裝行業(yè)中，能夠起到連接芯片和焊盤的作用。通過印刷，點(diǎn)膠等工藝，錫膏作為一種焊料能夠成為焊盤和芯片的連接媒介。在回流焊接后錫膏熔化并隨后固化成為大小均勻的焊點(diǎn)并實(shí)現(xiàn)電氣互連。那么在錫膏焊接的機(jī)理究竟有哪些？要了解錫膏焊接，可以先了解潤濕性。潤濕性是決定焊接效果的關(guān)鍵因素之一。

潤濕性重要性

錫膏的合金焊粉成分與銅焊盤之間存在表面張力。良好的潤濕性可以理解成錫膏熔化后能在焊盤表面擴(kuò)散并與焊盤發(fā)生冶金連接生成特定的金屬間化合物。判斷潤濕性的方式是觀察錫膏與焊盤之間形成的潤濕角。一般將錫膏和焊盤的夾角大于90°定義為潤濕性差，即表面張力大，反之則潤濕良好。必須注意的是潤濕狀態(tài)需要與實(shí)際焊接場景/條件相結(jié)合。潤濕性太差會(huì)導(dǎo)致焊料與焊盤結(jié)合能力低導(dǎo)致焊點(diǎn)強(qiáng)度低，焊點(diǎn)尺寸不良，形狀不規(guī)整，多錫珠等問題。潤濕性過強(qiáng)同樣不可取。潤濕性太高的焊料在熔融焊接后容易導(dǎo)致焊點(diǎn)高度不夠，并且容易導(dǎo)致焊料出界現(xiàn)象。下圖展示了具備良好潤濕性的SAC305的焊接效果。

圖1. SAC305潤濕過程。

助焊劑對(duì)潤濕性的影響

由于焊盤多數(shù)是由銅制成，容易受到氧化生成氧化層。錫膏顆粒表面與氧化層之間張力很大，阻止了錫膏與焊盤的冶金反應(yīng)。助焊劑成分是賦予錫膏潤濕性的一種成分。助焊劑中的活性劑能夠與氧化層反應(yīng)并將氧化銅還原成單質(zhì)銅，達(dá)到改變錫膏和焊盤連接處的表面張力的作用。此外焊盤表面雜質(zhì)也會(huì)影響錫膏潤濕性，需要在封裝流程開始前提前清除雜質(zhì)。

錫粉粒徑的影響

錫膏合金焊粉同樣會(huì)受到氧化影響。對(duì)于粒徑細(xì)小的焊粉，氧化速度要遠(yuǎn)快于粒徑大的焊粉，原因是小尺寸合金焊粉表面積更大，更易與氧氣發(fā)生反應(yīng)生成氧化膜。因此合金焊粉在生產(chǎn)完成后需要進(jìn)行真空保存，避免與空氣長時(shí)間接觸。錫膏制備過程也要保證減少氧氣的影響。此外回流焊接過程同樣需要保證不受氧氣干擾，因?yàn)樵诟邷氐淖饔孟?，焊盤和合金焊粉都會(huì)更快氧化?；亓鬟^程氮?dú)獗Ｗo(hù)是一種至關(guān)重要的提高焊點(diǎn)可靠性的因素。

焊盤粗糙度的影響

基板焊盤的粗糙度對(duì)錫膏可焊性也有影響。Bhat et al. (2014)做了一系列實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)粗糙銅焊盤表面對(duì)增加SnAg3.8Cu0.7錫膏的潤濕性有一定作用 (表1)。另外回流溫度調(diào)高之后也對(duì)錫膏潤濕性有提升作用 (圖2)。
表1.粗糙銅焊盤表面能改善錫膏潤濕性 (Bhat et al. , 2014)。



圖2. 不同溫度下SAC387在粗糙銅表面的接觸角 (Bhat et al., 2014)。

結(jié)論

錫膏潤濕性和許多因素有關(guān)，比如合金顆粒氧化程度，焊盤表面雜質(zhì)，焊盤粗糙度，溫度等。在設(shè)計(jì)助焊劑配方的時(shí)候應(yīng)該考慮各種影響潤濕性的潛在因素。并且需要通過大量測試從而確認(rèn)合適的助焊劑和工作參數(shù)。

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參考文獻(xiàn)
Bhat, K.N., Prabhu, K.N. & Satyanarayan (2014), “Effect of reflow temperature and substrate roughness on wettability, IMC growth and shear strength of SAC387/Cu bonds”, Journal of Materials Science: Materials in Electronics, vol.25, pp.864-872.

審核編輯 黃宇