金錫焊片在SMD-0.5型封裝應用中的可靠性研究

貴州振華風光半導體有限公司 王 芳 薛 山 諶帥業 謝 彥

1 背景

一直以來，SMD-0.5封裝產品合金焊中采用的粘結材料多是銀錫焊料。隨著半導體集成電路的發展，使用銀錫焊料粘結的缺點逐漸暴露。

經過多次對使用銀錫焊片粘結的SMD-0.5封裝產品失效樣品分析發現，銀錫焊料因熔點低經常會出現二次融化，造成產品浸融面積過大，對連接管基的鍵合絲造成浸蝕，進而造成產品電參數超差、鍵合拉力不合格等現象，存在可靠性隱患。

針對銀錫焊料在SMD-0.5封裝產品中因熔點低存在的二次熔化問題，參閱相關標準，發現金錫焊料熔點比銀錫焊料熔點更高，本文通過正交試驗、X射線檢查、芯片剪切強度試驗、可焊性試驗驗證金錫焊料在SMD-0.5封裝應用中的可靠性。

2 金錫焊料特點及優勢

在對SMD-0.5封裝的電源類產品芯片燒結中發現，用相同的工藝曲線燒結同一產品時，部分產品銀錫未熔化而部分已經攤開的現象，這種情況將會對后續的自動鍵合機鍵合聚焦鍵合點形成阻礙，影響自動鍵合。熔點越高的焊料，對外殼材料的導熱率包容性越大，工藝窗口也越寬。

組分為Au80Sn20的金錫焊料，其熔點為280℃，較銀錫焊料具有更高的熔化溫度。因此選用熔點更高的金錫焊料，不但可以有效避免焊料的二次熔化，而且能夠獲得更大的工藝窗口，使得合金焊工藝更加穩定可靠。

3 方案及實施過程

為實現燒結過程中金錫焊料（Au80Sn20）的均勻溢出與鋪滿，需選取合適面積的焊料以及合適重量的壓塊。然后，通過正交試驗選定最合適的參數組合，并通過X射線檢查、芯片剪切強度試驗、可焊性試驗驗證其適用性。

3.1 夾具設計

為防止燒焊過程中，芯片的移動，人工擺放芯片偏差過大，影響后續自動鍵合機圖像識別效率，故設計了芯片定位夾具。

SMD-0.5類型產品燒焊定位夾具設計：在設計芯片定位夾具的時候，采用了不銹鋼材質，為了解決芯片邊緣崩邊，對夾具的四角分別挖了孔，避免芯片邊緣卡住，如圖1所示，該夾具除了芯片定位外也利于壓塊的擺放。

圖1 SMD-0.5型封裝產品定位夾具實物圖

3.2 壓塊和焊片的選取

通過對以往SMD-0.5型封裝產品的銀錫燒結工藝和壓塊的了解，訂制了幾種不同尺寸的焊片并使用不同的壓塊重量進行燒結對比試驗，如表1所示。

表1 SMD-0.5型封裝產品不同壓塊和焊片的燒結現象

圖2 工藝曲線

對表1中樣品進行對比分析，最后選取2.2×2.2×0.03mm的焊片和0.03g的壓塊，溢出焊料均勻，取10只樣品進行剪切力測試平均值為8.4kg。

3.3 燒結溫度-時間工藝曲線優化

在對SMD-0.5封裝的電源類產品芯片燒結中發現，用相同的工藝曲線燒結同一產品時，部分產品銀錫焊料未熔化而部分已經攤開的現象，這種情況將會對后續的自動鍵合機鍵合聚焦鍵合點形成阻礙，影響自動鍵合。

本次燒結主要是利用真空燒焊機設備燒結，通過以往用真空燒焊爐燒焊金錫的曲線經驗，可以簡單制作一個工藝曲線進行深入摸底，工藝曲線實施步驟為：常溫→預熱升溫→保溫(增加溫度均勻性)→升至焊接溫度→保溫焊接→降溫(冷卻)。

SMD-0.5型封裝產品燒結曲線摸底：

（1）溫差摸底

在燒結前，首先得先摸底出傳熱板內不同位置的溫度及夾具表面溫度和設置溫度的溫差多大，才能更有效的設置溫度曲線和產品擺放。首先對夾具相鄰位置的溫度進行摸底如圖3a所示，發現溫差基本懸殊不大，再對夾具左上角與右下角的位置進行測量如圖3b所示，溫差大概在5℃左右，而在摸索試驗中，5℃左右的溫差基本對于金錫燒結不會構成太大影響，但如果懸殊15℃以上，可能就會導致某些位置不能擺放產品，否則將影響金錫的鋪展、熔化浸潤。

圖3a 溫差摸底

圖3b 溫差摸底

（2）燒結曲線摸底

由于Au80Sn20預制焊片的熔點是280℃，焊接溫度設置，一般應比焊片熔點溫度高10℃～40℃，所以實際焊接溫度應該為290℃～320℃。

按照正交試驗的方法，根據燒焊工藝經驗選取保溫溫度、保溫時間、焊接溫度和焊接時間為本試驗的試驗因素，設立如表2和表3所示的正交試驗分組。按該方案進行9組試驗，每組實驗先放10套FW7805材料（芯片、SMD-0.5外殼、金錫焊料等）進行摸底，記錄試驗結果。根據剪切強度確定各因素的優化水平組合，再通過計算極差列出各指標下的因素主次順序，綜合分析，確定最佳工藝參數，再用FW7805和FW79M08各20套材料（芯片、SMD-0.5外殼、金錫焊料等）做一次試實驗，以確認該條曲線為最佳燒結曲線。

表2 燒結曲線試驗因素水平表

表3 正交試驗結果分析

通過正交試驗獲得了一組最優組合數據，利用這組數據編寫進金錫焊接程序，對20只FW7805和FW79M08產品進行燒結，并測試剪切力強度，數據結果顯示剪切力數據均滿足GJB548B-2005方法2019.2芯片剪切強度要求。測試數據如圖4a和圖4b所示。

圖4b FW79M08剪切力強度

通過對圖4a和4b的數據分析可以看出，CPK指數剛好在1.33～1.67之間，說明該工藝狀態穩定，但從圖4a中可以看出剪切強度分別有5214g和12316g這么大的差距，除了每個產品燒結都有一定的差異外，導致剪切強度這個差距主要原因是剪切設備的劈刀距離樣品基座內腔高度有一定的區別，左圖基本是從芯片底部開始推，而右圖是從芯片1/3的位置開始推，導致力達到5214g時就把芯片表面推壞，如圖4c所示。

圖4c 左圖剪切力強度為12316g，右圖剪切強度5214g

圖4a FW7805剪切力強度

3.4 可焊性試驗

為驗證金錫焊料是否會在焊接過程中被二次熔化，取20套材料（FW7805芯片40只、SMD-0.5外殼40套、金錫焊料20片、銀錫焊料20片）按照已定工藝曲線進行燒結后，將燒結后的40只樣品按照GJB548-2005方法2022.2可焊性（浸潤法）進行試驗。對試驗后的樣品進行開帽觀察，使用銀錫焊料燒結的20只樣品中，1只樣品焊料出現二次熔化現象，而使用金錫焊料焊接的20只樣品均未出現焊料二次熔化的現象，如圖5所示。對使用金錫焊料燒結的20只樣品進行剪切力測試，數據結果顯示剪切力數據均滿足GJB548B-2005方法2019.2芯片剪切強度要求。測試結果如表4所示。

圖5 左圖為銀錫焊料燒結，右圖為金錫焊料燒結

表4 FW7805剪切力強度

通過研究，發現真空設備、夾具的設計、工藝參數以及焊料的尺寸等都對焊接質量有著較大的影響，在進行了大量真空爐里金錫燒結工藝摸底試驗后，通過對夾具的改進及工藝參數的優化，可焊性試驗，證明在SMD-0.5型封裝中，使用金錫焊料燒結的產品比銀錫焊料焊接的產品其焊料更加穩定，不易出現二次熔化的現象。所以，在SMD-0.5型封裝中使用金錫焊料燒結的產品更加穩定可靠。