SAC305微焊點釬焊工藝的優化研究

摘 要：文章采用了生產性實驗方法，對電子產品封裝時采用的釬焊技術進行了系統研究，通過研究發現：電子產品封裝用釬焊技術形成的微焊點存在空洞、冷焊、焊球形成、橋接、裂紋、殘余應力、電遷移等焊接缺陷，通過對缺陷形成原因的分析，制定了更為合理的釬焊工藝；重點研究了電遷移的形成機制和危害性，并提出了可行性的解決方案。

關鍵詞：電子封裝 焊接缺陷 釬焊工藝 電遷移

半導體產業是制造行業中十分重要的領域之一，具有附加值高和更新換代快等特點，圍繞半導體產業形成的產業鏈主要有芯片設計、晶圓制造和封裝測試等。目前，全世界只有美國和日本有自己完整的半導體產業鏈，我國在芯片設計和封裝測試等方面具有一定的技術優勢和價格優勢，但是在晶圓制造技術和納米級的光刻技術上落后上述國家至少3～5年。

隨著人們對電子產品功能多樣化的不斷追求，比如對手機，有著小巧便攜、功能強大等要求。在其它領域的要求也與之相似，甚至更高。市場需求的不斷提高，對半導體材料、芯片制造和封測技術的要求也隨之更高。

在半導體產業中，封裝技術對于確保產品質量至關重要，其中釬焊技術尤為關鍵。提高釬焊質量，是當前封裝領域亟待突破的核心技術之一。

1 電子產品封裝用釬焊技術目前存在的問題及研究現狀

1.1 電子產品封裝用釬焊技術目前存在的問題

對電子產品封裝采用釬焊技術時，釬焊形成的焊縫（因其直徑、高度均很小，所以通常稱之為微焊點）的質量是保證電子產品質量的重要保障。隨著電子產品的應用范圍越來越廣，應用環境越來越復雜，微焊點出現質量方面的事故時有發生，當微焊點出現諸如裂紋、脫落、氧化等缺陷時，將會導致電子產品出現短路、開路、漏電、燒毀、翹曲變形、參數漂移等失效形式。

造成以上失效形式的原因主要與釬焊材料、釬焊設備、釬焊工藝等因素有關，此外，還與封裝材料、外部環境也有一定的關系，如爆米花效應、環境腐蝕等。

1.2 電子產品封裝用釬焊技術的研究現狀

為了獲得可靠性更高的微焊點，國內外的學者進行了一系列的研究。高麗茵、Tu K N等人從三維集成封裝技術方面進行了研究[1-2]。Subramanian K N等人從Sn-Zn合金的潤濕性、抗氧化性、力學性能及熱學性能方面進行了研究[3]。Yang W、Sona M等人通過對釬料成分的改組，將原來的含鉛料改為Sn-Ag和Sn-Ag-Cu無鉛焊料合金，并研究了其潤濕性和表面張力等性能，發現該釬料的性能優良，并得到了市場的認可[4-5]。Li Y等人針對焊料高熔點引起的翹曲變形問題，研究了SnBi、SnBi-Ag系列焊料，該系列焊料具有低熔點（139℃）、潤濕性好、在電-熱-力耦合場作用下力學性能優良、價格便宜、適用范圍廣等優點[6]。

隨著封裝微焊點尺寸的微型化（目前較小的約為50um左右），其單位面積上承載的電流密度將進一步增大，研究表明，當微焊點的尺寸小于100um時，其單位面積上承載的電流密度將會大于103A/cm2。盡管SnBi、SnBi-Ag系焊料有著多方面的優點，但隨著封裝微焊點尺寸的不斷縮小，在高密度電流的作用下，微焊點中Sn基體原子還是容易發生定向遷移并形成電遷移危害。與其它缺陷相比，電遷移的危害主要體現在產品服役期間。產品在出廠時是合格產品，服役一段時間后將會出現因電阻增加、局部熱點、電路斷路或短路引起的電路失效和可靠性降低等問題，從而引起設備故障，這些故障可能不會立即出現，但隨著產品服役時間的推移，可能會逐漸顯現出來，特別是長時間運行于高負載下的集成電路，極有可能造成重大事故。

2 SAC305微焊點釬焊工藝的優化研究

為了提高電子產品封裝用釬焊技術的焊接質量和可靠性，課題組與某封裝生產廠家就其產品中存在的問題共同進行了一系列的研究，研究的重點主要是電遷移現象。

2.1 SAC305微焊點釬焊焊料的研究

釬焊所用的焊料型號、牌號眾多，從文章1.2的敘述可知，有很多學者在持續不斷的從焊料的組成元素、成分含量、制作工藝等方面來進行研究，旨在提高釬焊的微焊點質量。

文章選用了常用的SAC0307、SAC305、Sn-58Bi、Sn-57.6Bi-0.4Ag等幾種焊料作對比研究，發現：SAC0307和SAC305相比，其物理性能較低；Sn-58Bi、Sn-57.6Bi-0.4Ag焊料中Bi生成的IMC可導致界面組織粗化，界面強度降低。

相比之下，SAC305從價格、工藝性、焊點可靠性等方面來說較為適合該企業的生產需求。SAC305的成分配比為Sn（96.5%）、Ag（3.0%）、Cu（0.5%）。SAC305焊料有不含鉛、環境污染小、良好的機械性能和抗疲勞強度、良好的潤濕性等優點，被廣泛地應用于PCB的組裝等方面。SAC305焊料的缺點是Ag和Cu元素的加入提高了成本，焊接時需要更精確的溫度控制以確保焊接質量。

2.2 SAC305微焊點釬焊設備及工藝

2.2.1 SAC305微焊點釬焊設備

SAC305微焊點釬焊采用的設備是回流爐，它是SMT技術中的關鍵設備，其外形如圖1所示，結構示意圖如圖2所示。

2.2.2 SAC305微焊點釬焊工藝

SAC305微焊點釬焊工藝流程圖如圖3所示。

文章以釬焊過程作為研究的重點，焊前準備和焊后處理不再敘述。SAC305微焊點釬焊時的關鍵工藝參數如下。

2.2.3 SAC305微焊點釬焊存在的缺陷及形成原因

焊接完成后，經檢驗，95%以上的產品均為合格品，但有5%的產品仍然存在以下類型的缺陷。

（1）空洞：主要包括氣泡或空洞。空洞的主要形式為柯肯達爾空洞，形成柯肯達爾空洞的主要原因是：作為釬焊，其實質是異種金屬焊接，不同金屬之間的金屬原子擴散速度存在差異。氣泡或空洞的存在，減小了微焊點的有效截面面積，降低了微焊點的力學承載能力。

（2）冷焊：由于溫度不足導致焊料未能充分熔化和流動，造成焊點不完整或不均勻。

（3）焊球形成：有時會在焊點周圍出現小的焊料顆粒，這些被稱為焊球，可能會導致短路。

（4）橋接：即相鄰焊點之間發生意外連接，通常由過量焊料或焊料流動性過強引起。

（5）裂紋：由于材料熱膨脹系數不同或外力作用而產生，影響焊點可靠性。

（6）殘余應力：引起殘余應力的主要原因有熱膨脹系數不匹配、相變引起的宏觀及微觀體積變化、焊接速度與熱量輸入、冷卻速率等。

（7）電遷移：由于電子風效應、電流密度、溫度等原因導致金屬原子沿電流方向發生遷移，將導致電路斷路或短路，從而引起設備故障。

2.2.4 SAC305微焊點釬焊中電遷移分析及解決措施

（1） SAC305微焊點釬焊中電遷移分析

經過對成型微焊點的檢測分析，當微焊點工作時的電流密度大于103A/cm2時，SAC305微焊點中基體原子容易發生定向遷移，從而引起電遷移危害，即出現組分偏析、空洞、裂紋、晶須、小丘等缺陷，焊點的力學性能也將發生塑-脆轉變。

此外，由于微焊點中β-Sn晶格的物理性質具有各向異性的特點，當Sn晶粒的c軸與電流方向平行時，陰極界面附近的空洞和裂紋缺陷特別明顯，微焊點容易失效。通過對SAC305微焊點在高密度電流作用下的微觀組織演變進行研究時發現，極側Cu基底局部的溶解速度和相鄰的Cu晶粒的晶體取向之間具有相關性，在相同條件下，當Cu晶粒的（010）晶面垂直或近似垂直于電流方向時溶解速度要比（111）晶面快[7]，其IPF-X圖如圖4所示。

（2） SAC305微焊點釬焊中電遷移解決措施

為了減輕電遷移對電路性能的影響，研究過程中采取的措施主要有。

a.材料選擇：使用抗電遷移能力更強的材料，銅原子比鋁原子更能抵抗電遷移，SAC305主要成分為Sn-Ag3.0-Cu0.5，Cu元素的加入有效提高了抗電遷移能力。

b.設計優化：通過增大金屬線的橫截面積以減少電流密度，或是采用多層布線結構來分散電流。

c.熱管理：通過優化微焊點釬焊過程中的散熱能力降低工作溫度，減緩電遷移的發生速度。

3 結論

（1）現有的回流爐溫度控制的精度范圍較寬，精度較高的回流爐（可控溫度為0.5℃～1.0℃）能有效地改善合金熔化和良好的潤濕性，同時避免過高溫度導致的材料損傷。

（2） SAC305焊料含有一定量的Cu元素，含有Cu元素的焊料可有效地減少電遷移現象。

（3）SAC305微焊點在高密度電流作用下，極側Cu基底局部的溶解速度和相鄰的Cu晶粒的晶體取向之間具有相關性，在相同條件下，當Cu晶粒的（010）晶面垂直或近似垂直于電流方向時溶解速度要比（111）晶面快。

基金項目：天水市科技支撐計劃項目“電子產品封裝用精密回流爐的研制及其工藝開發”（2022-FZJHK-9961）。

參考文獻：

[1]高麗茵，李財富，劉志權，等.先進電子封裝中焊點可靠性的研究進展[J].機械工程學報，2022，58（2）：185-202.

[2] Tu K N， Liu Y， Li M. Effect of Joule heating and current crowding on electromigration in mobile technology[J]. Applied Physics Reviews， 2017， 4（1）：011101.

[3] Subramanian K N， Suganuma K， Kim K S. Sn-Zn low temperature solder[J]. Journal of Materials Science Materials in Electronics， 2007：121-127.

[4] Yang W， Messler R W， Felton L E. Microst

ructure evolution of eutectic Sn-Ag solder joints[J]. Journal of Electronic Materials， 1994， 23：765-772.

[5] Sona M， Prabhu K N. Review on microstru

cture evolution in Sn–Ag–Cu solders and its effect on mechanical integrity of solder joints[J]. Journal of Materials Science： Materials in Electronics， 2013， 24：3149-3169.

[6] Li Y， Chan Y C. Effect of silver（Ag）nano

particle size on the microstructure and mechanical properties of Sn58Bi–Ag composite solders [J]. Journal of Alloys and Compounds， 2015， 645：566-576.

[7]岳武.結構和組織不均勻性對無鉛微焊點電遷移行為影響的研究[D].廣州：華南理工大學，2014.