回流气氛对无助焊剂倒装焊焊点气孔的影响

2017-03-20 摘自 电子制造技术

摘要：研究了不同回流气氛对无助焊剂倒装焊焊点气孔的影响，并分析了氮气、甲酸回流气氛对密封腔体内部气氛含量的影响。研究结果表明，使用甲酸去除倒装芯片焊点表面氧化物后，电路在氮气环境中回流，焊点未产生气孔，且内部气氛能满足国标要求。在回流峰值温度持续时间内保持甲酸浓度不变，也可有效避免焊点气孔产生，但内部气氛含量中二氧化碳和氢气超标。在回流峰值温度持续时间内，真空环境时，因焊料金属氧化物无法充分还原成金属单质，且加热效果不理想，焊点位置易产生气孔，发生率约50% 。实际生产中，在回流峰值温度区间先通入甲酸后抽取真空的方式可有效避免气孔产生。

关键词：无助焊剂倒装焊；甲酸；真空；气孔；内部气氛

引言

相比引线键合，倒装焊是一种更先进的微电子封装工艺，它在硅芯片有源区一侧制作焊盘和凸点焊料，然后面朝下将芯片用焊料和基板互连在一起，形成稳定可靠的机械、电气连接。芯片的焊盘及凸点可阵列排布，大大提升了封装互连密度。倒装焊一般采用芯片凸点涂覆助焊剂或在基板侧焊盘印刷／喷涂助焊剂或锡膏的方式，再将芯片凸点与基板焊盘对位后回流完成焊接，然后进行残留助焊剂的清洗及底部填充工艺。随着倒装芯片凸点节距及高度不断缩小，芯片尺寸不断增大，采用助焊剂或锡膏方式进行倒装焊后，相邻凸点之间容易发生桥连，且倒装焊后残留的助焊剂无法彻底清洗，进行底部填充时易造成空洞产生，降低了电路长期可靠性。即便现阶段很多厂商研制了免清洗助焊剂，也仍无法避免助焊剂残留造成的电路可靠性问题。

针对无助焊剂焊接工艺，国外的学者开展了大量研究。T.Takeuchi研究小组使用微波等离子设备电离出表面波等离子体，对芯片凸点焊料进行等离子处理后，可实现倒装工艺在空气中实施而不会出现因焊料氧化造成的浸润不良。L.Wei等人分析了甲酸在倒装焊回流过程对焊料进行还原的机理，并对比了不同浓度甲酸的焊接效果。国内也有相关研究：闵志先 研究了还原气氛保护和等离子预处理对于焊料润湿铺展的影响；丁荣峥等人通过对比实验发现无助焊剂倒装焊与助焊剂倒装焊焊接强度处于同一水平。针对无助焊剂倒装焊工艺不同回流气氛对焊点气孔影响的 研究十分缺乏。

本文在国内外研究的基础上，对无助焊剂倒装焊回流峰值温度区间的气氛环境对焊点气孔的影响进行了研究，为该技术向更广泛的产品类型应用提供了参考。

一、实验设计

采用具有代表性的3种气氛环境进行回流焊实验，包括真空、氮气及甲酸（HCOOH）。采用的倒装芯片凸点为直径150μm 的Sn63Pb37焊球，基板为C4焊盘表面电镀Ni/Au的陶瓷外壳，回流设备是具有密封腔体可进行热板及红外辐射组合加热的回流炉。

真空和氮气环境能阻止焊料形成氧化物，甲酸可与金属氧化物发生反应，羟基取代氧原子形成甲酸盐，甲酸盐在高温下分解形成金属单质，消除了金属氧化物对焊点造成的不良影响。

甲酸参与回流的过程，根据温度（t）变化，反应可分为两个阶段。

t >150℃时

MO+2HCOOH=M(COOH)2+H2O  (1)

t >200℃时

M(COOH)2=M+CO2+H2  (2)

MO+H2=M+H2O   (3)

式中：M代表金属。

由上述反应方程式可知，当温度低于150℃时，甲酸与金属氧化物不发生反应。当200℃＞ｔ＞150℃时，甲酸与金属氧化物反应生成甲酸盐。当温度高于200℃时，甲酸盐分解生成金属单质、二氧化碳和氢气，同时氢气继续与金属氧化物发生还原反应，生成金属单质。

Sn63Pb37凸点熔融温度为183℃，通过热电偶测量热板及外壳表面实际温度，最终设定回流峰值温度为245℃。先将倒装芯片与基板进行微波等离子清洗，去除芯片凸点及基板焊盘表面氧化物。等离子清洗完成1h内，完成倒装芯片与基板的对位固定，然后将电路放置在回流炉中完成焊接。根据回流气氛共安排3组实验，每组焊接2只样品，Ⅰ组为真空回流，Ⅱ组为氮气回流，Ⅲ组为甲酸回流。回流过程先对密封腔内气氛进行真空－氮气－真空－氮气循环，每组气氛保持时间为90s，以净化反应腔内气体成分，降低氧气含量。然后通入携带甲酸的氮气并以1.25℃/s的升温速率升温至175℃，氮气流量设定为4~6L/min，保持10min，此时甲酸与金属氧化物反应生成甲酸盐化合物，继续升温至峰值温度245℃ ，升温速率为0.6℃/s，峰值温度保持5min，最后通入氮气并以1℃/s的速率降温至50℃，完成回流。

本文研究的即175℃升温至峰值245℃并保持5min的过程中，密封腔内气氛变化对焊接界面气孔的影响。Ⅰ组实验先将密封腔内气体排出，形成真空环境，同时升温至245℃，保持5min，最后降温并通入氮气，完成样品制备；Ⅱ组实验先将腔体内气体排出，在升温至245℃时通入氮气，保持5min，最后降温并通入氮气，完成样品制备；Ⅲ组实验过程腔体内气体不进行调整，升温至245℃，保持5min，最后降温并通入氮气，完成样品制备。

二、结果与讨论

3组样品完成回流后，使用德国ERSA公司的光学显微镜从倒装芯片侧面观察凸点与基板焊接情况，图1为无助焊剂倒装焊焊点外观。3组样品焊接凸点均塌陷良好，焊球表面光亮，无明显氧化、冷焊等缺陷。

图1、无助焊剂倒装焊焊点外观图

将完成回流焊的3组电路通过X射线设备观察焊点内部是否存在气孔，每组观察统计100个焊点。统计发现，真空回流有51个焊点存在明显气孔，其中4个焊点为小气孔，靠近焊点边缘，其余47个为较大气孔，靠近焊点中心，直径约为焊盘直径的3/4。氮气、甲酸气氛回流的电路，焊点未出现明显气孔，见图2。对于焊点来说，气孔是一种不利于其完整性和可靠性的有害现象。一般认为，少量的、小尺寸的和弥散的气孔对于焊点完整性的影响不大，但是大量的或大尺寸的气孔会使焊接点的电学、热学和机械性能下降。气孔产生的主要原因是除气不够彻底（气体夹杂在焊接点中）。为解决焊点气孔问题，B.K.Synkiewice等人、A.Klemm等人和陈雅蓉等人均提出在真空环境下焊接可有效消除气孔。K.Sweaman等人研究表明真空回流虽是一种消除焊点气孔的方法，但无法保证形成无气孔的焊点。本文验证的无助焊剂倒装焊真空环境回流易在焊点产生气孔，发生率约50%，且基本为单个大气孔。气孔边界超出焊盘位置，故气孔位于凸点内。氮气环境和甲酸环境的回流过程未产生气孔，形成了良好的焊接效果。

（a）真空回流焊点产生气孔  （b） 氮气回流焊点无气孔  （c） 甲酸回流焊点无气孔

图2、不同气氛回流的焊点X射线照片

在反应腔内温度大于150℃时，甲酸与凸点焊料表面氧化物反应生成甲酸盐，继续升温至凸点焊料熔融，焊料与焊盘金属浸润，但基板焊盘镀层间隙未被焊料完全填充，焊盘镀层的气孔被包裹至焊料中。甲酸盐在回流过程中（大于200℃）分解产生氢气，因真空作用，氢气无法有效参与金属氧化物的还原反应而被直接排出，未生成甲酸盐的金属氧化物无法进一步被还原，阻碍了焊点内部气孔溢出焊料。另外，真空环境下，红外辐射加热不能有效地将热量传递至焊接位置，仅能依靠热板加热方式由基板将温度传导至焊接位置，加热效果不理想。氮气和甲酸气氛下，回流过程中甲酸盐分解产生的氢气进一步参与金属氧化物的还原，反应生成金属单质。焊点内部气孔从熔融的焊料中溢出，与基板焊盘充分浸润形成可靠焊点。另外，氮气、甲酸均被热板加热，可有效地将热量传递至焊接区域。

基于上述分析，在回流峰值温度的后段时间将密封腔内气氛设定为真空（ 甲酸与真空持续时间比为4:1），保证凸点焊料金属氧化物被充分还原，再验证此时真空是否可有效消除气孔。样品回流后，使用X射线观察焊点，未发现明显气孔，见图3，证实了上述分析，即焊料金属氧化物未完全被还原为单质时，真空回流环境更易产生气孔，只有当焊点金属氧化物彻底被还原为单质后，真空回流才能保证焊接的可靠性。

图3、甲酸与真空回流气氛的焊点X射线图

因甲酸具有较强的还原性，在倒装焊回流过程虽参与反应并分解，仍有可能对气密性陶瓷封装电路内部气氛含量产生影响。将Ⅱ组和Ⅲ组样品在氮气环境封帽后进行了密封腔内部气氛含量的测定。测定结果见表1。

由表1可知，甲酸回流电路内部气氛中检测出二氧化碳和水汽的含量，是较氮气回流电路内部气氛含量的近3倍。分析原因为回流过程甲酸除参与反应外，还有部分吸附在基板上，封帽后分解生成二氧化碳和水。氮气回流电路中氢气含量较高也是由于甲酸反应不彻底或吸附在基板上，封帽后分解产生，但气体含量明显低于甲酸气氛回流的电路，说明氮气回流可有效降低残留在电路中的甲酸含量。这些气体的长期存在可能对电路内部结构造成腐蚀，导致失效。在电路封帽前，应首先对电路进行预烘处理，以去除电路焊点及基板上吸附的甲酸。

三、结论

本文针对无助焊剂倒装焊真空、氮气及甲酸三种回流气氛对焊点气孔的影响进行了研究，同时分析了氮气、甲酸回流气氛对密封腔内部气氛含量的影响。通过研究可知，氮气气氛回流除有较低的焊点气孔率外，电路密封后的内部含量也能满足国标要求。甲酸气氛回流虽有较低的气孔率，但电路密封后残留的甲酸易分解出二氧化碳和氢气，影响电路的长期可靠性。真空回流因焊料氧化物还原不彻底，易形成气孔，实际生产过程可在回流峰值温度区间内与甲酸气氛组合使用，可有效避免气孔产生。

关键词：真空回流、无助焊剂倒装焊、金锡焊片、Au80Sn20焊片、Au88Ge12、预置金锡盖板、铟合金焊料片、锡银铜SAC焊料片、无铅焊料、Ag72Cu28、In52Sn48、铟银合金焊片、Sn90Sb10、Sn63Pb37、锡铅焊片、金基焊料 、银基焊料、铟基焊料、金锗焊料、金锡焊料封装、金锡焊料、IGBT高洁净焊片、预涂覆助焊剂焊片、SMT填充用焊片、预制焊锡片、Ag92.5Cu7.5焊片、Bi58Sn42焊片、Pb60In40焊片、In60Pb40焊片、Pb75In25焊片、In50Sn50焊片、低温钎焊片、锡片、Zn95Al4Cu1焊片、In51Bi32.5Sn16.5焊片、In66.3Bi33.7焊片、Ag62Sn35Pb3焊片、Ag60Cu23Sn17焊片、Solder Preforms、Fluxless Solder、 solder ribbon、先艺电子、xianyi

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