活化氢气氛下的无助焊剂焊接

2017-07-19 电子制造技术

摘 要

本文介绍了一种新颖的基于电子附着(Electron Attachment, EA)原理的氢气活化技术，可以实现在大气压力和正常焊接温度下的无助焊剂焊接。该技术有望被应用于电子封装行业的诸多领域。

关键词：电子附着， 活化氢， 无助焊剂焊接，电子封装， 氧化物去除，助焊剂残留， 氢负离子

一、简介

集成电路(Integrated Circuit, IC)的封装趋势正在向着多层化即三维化方向发展，且元件的功能更多，尺寸更小。这一发展趋势使得接点的互连变得更具挑战。而确保接点处的导电与机械性能的关键是将焊料和被焊金属表面的氧化物去除干净，这通常是通过使用有机助焊剂来实现的。其去除氧化物的能力归因于助焊剂中的有机酸：

金属氧化物 + 酸  → 盐 + 水      (1)

可是，助焊剂的使用又给电子封装工艺带来了许多问题，尤其是助焊剂的残留。不管使用哪种类型的助焊剂都不可避免地会产生残留，而在高可靠性的封装件中不允许有任何残留的存在。随着电子器件小型化的趋势，助焊剂残留的清洗变得越来越困难。因此，近年来无助焊剂焊接获得了更多的关注。

无助焊剂焊接主要是利用还原性气氛来去除氧化物。但是，现有的无助焊剂技术都存在不同的问题。例如，甲酸蒸气虽已在某些场合使用，但其氧化物去除的机理与有机助焊剂(1)并无本质上的区别。因此，只是减少了残留，而并未完全消除残留。以氢气作为还原气体去除焊接表面的氧化物是非常有吸引力的，因为在氧化物的去除过程中不会产生残留物和挥发性有机物。然而，在正常的焊接温度范围内，氢气分子去除氧化物的效率太低。我们知道氢气的还原性在等离子状态下可显著增加，但是，这种方法往往需要真空，因为在大气压下,等离子氢的稳定性不够。真空工艺不仅增加费用而且无法与连续生产线配套。因此，我们的目标是开发一种可在大气压力和正常焊接温度下实施的无助焊剂焊接新技术，这种技术利用电子附着(EA)原理来活化不可燃性氮氢(<4％氢)混合气中的氢气, 从而达到去除氧化物的目的。

二、电子附着

2.1  原理

电子附着(EA)的定义如下：当低能电子，如低于10 eV，与气体分子碰撞时，有些可被气体分子捕获,通过解离或直接附着的方式产生负离子。

反应式(2)描述了氢分子的解离性附着，其中一个氢分子(H2)与电子(e-)结合，产生激发态的分子型氢负离子(H2-*)，随后又解离而得到原子型氢负离子(H-)和中性氢原子(H)。该中性氢原子可通过直接附着再次捕获一个电子(3)，形成激发态原子型氢负离子(H-*)。而激发态的原子型负离子又可通过释放光子或与氮分子碰撞来获得稳定。氮气作为稀释气体对EA是惰性的，因为它的电子亲和能接近于零。由于所施加的电场的驱动，EA下形成的原子型氢负离子，会自动移向焊接表面进行还原反应。反应式(4)给出了还原一氧化锡的例子。反应中生成的水蒸气能够顺着气流排出炉外，自由电子则可采用适当方式被去除。

H2 + e─ → H2─* → H─ + H   (2)

H + e─ → H─*           (3)

2H─ + SnO → Sn + H2O + 2e─  (4)

2.2  Ea的优势

EA下形成的原子型氢负离子具有高效还原性能，因为它不仅摆脱了化学键的束缚，而且作为强电子供体可促进氧化物的还原。与常规等离子体不同，EA状态下的带电环境是负电性的，这使得氢负离子间产生相互排斥，从而延长了活性粒子在大气压下的寿命。与中性气体分子或原子的随机扩散相比，EA下产生的氢负离子可在电场驱动下定向且迅速地到达焊接表面，从而提高了活性粒子的利用率。此外，大气压力比真空更有利于电子附着及负离子的形成。这是因为电子与气体分子间的碰撞频率在大气压下显著增加，这不仅有利于形成低能量的电子，同时也增加了电子接触到气体分子从而被捕获的概率。因此，用EA来活化氢气从而实现无助焊剂的焊接被认为是有前途的。

2.3  EA过程的建立

图1、回流炉中EA的建立

图1展示了在用于回流焊的开放式隧道炉中建立EA的例子。一个含有大量针头的电子发射装置被安装于炉膛顶部。将不可燃性氮氢(< 4％氢)混合气通入炉内，待焊接的电子元件被装载于炉子的传送装置上，并被连续地从炉子的入口端输送到出口端。当元件通过电子发射装置的下方时，将完全处于EA活化的气氛之中。在完成了EA下的表面清理后，电子元件开始经历正常的回流和冷却过程。

用EA来实现无助焊剂焊接的最大挑战是要在大气压力下产生大量的低能电子。目前没有市售的电子发射装置能够满足此应用的要求。因此，我们开发了一套拥有专利技术的电子发射装置。该装置自含阳极和阴极，可在2～3kV直流脉冲电压下，独立发射电子。如果位于该装置下方的焊接表面不能通过接地来释放电荷，该装置还可自动收集累积在焊接表面上的自由电子从而使电子发射持续不断。

图2、电子发射模块

图3、绝缘玻璃上方的电子发射

三、原理验证

3.1 氢分子的解离

用EA活化氢气的最基本理论是氢分子的解离性附着，即由于氢分子捕获电子而自动解离，生成中性氢原子和原子型氢负离子(2)。为了验证，我们用质谱仪(MS)来探测在280 ℃含有氢(H2)和氘(D2)的炉气环境下氢-氘(HD)的形成。如图4中所示，当EA开始于 t = 15 min时，HD谱线的强度随之突然增加，而当EA停止于t =25 min后，HD的强度又迅速恢复其原始状态。H2和D2的谱线强度也有相应的变化。这一结果证实了氢分子在EA作用下的确发生了解离。

图4、质谱分析显示EA下的反应

3.2  焊料湿润

将一个圆片状的无助焊剂焊料预制件放在一个铜片上，再将其加热于含有或不含EA的氮氢(体积4%氢)混合气中。在未施加EA的情况下，熔融焊料仍保持其圆片形状(图5a)。当加热过程中施加了EA，焊料熔化后则顺利铺展且形成光滑表面(图5b)。这一试验被重复用于表1中所列出的不同焊料。 如表中所示，被观察到的焊料润湿温度一般与其熔点非常接近。 这一结果充分显示了EA去除氧化物的效率。 

图5、EA对焊料润湿性的影响

四、应用示范

4.1  晶圆凸点

晶圆凸点工艺是在晶圆被切割成芯片之前的整个硅圆上形成焊料凸点的过程。所形成的焊料凸点在倒装芯片组件中被用作电气、机械和安装接点。在晶圆凸点工艺中，需使用回流工艺将所沉积的焊料与焊盘形成金属接合，并使焊料通过熔化而实现球状凸点表面。图6示出了晶圆上的锡-银凸点在回流前后的各种形态。在未施加EA的情况下，回流后的凸点表面崩塌且形变不完全，这是由于焊料熔融时受到其氧化表皮的限制。而当回流中施加了EA，焊料凸点形变充分且表面光滑,显示出在焊料熔融时其氧化表皮已被清理。

6、EA对焊料回流的影响

4.2  倒装芯片的键合图

两个倒装芯片被手工放置在印有菊花链的印刷电路板(PCB)上的相应位置(图7a)。每个芯片上的焊料凸点为锡-铅成分，且其直径为100μm。为了有利于演示，菊花链的末端被接地以释放电荷。当PCB被加热至焊料回流温度(220℃)并被暴露于EA 30 s后，菊花链瞬间亮起(图7b)，这表明焊点的自动对位和连接已完成，因此电路开始获得良好的连续性。

(a)安装在PCB上的倒装芯片

(b)闪亮起来的菊花链

图7、倒装芯片在EA作用下的键合

4.3  芯片贴装

芯片贴装是将含有集成电路的单个裸芯片贴附并接合于基板或封装基座的制作过程。对于高功率应用中的电子器件，其芯片贴装 需采用焊料预制片来形成金属性接合。为了实现高效率的传热与导电，焊接处必须尽量减少空洞的产生。 用EA代替助焊剂来进行焊接表面的清理能彻底根除助焊剂蒸汽的生成，因此可大大降低形成空洞的倾向。如图8a所示，在通常的助焊剂焊接下，尺寸为2 mm×2 mm的芯片接合面上产生了24％的空洞。作为比较，采用EA(图8b)对相同尺寸的芯片进行无助焊剂焊接，则没有发现任何空洞。

 图8、EA在芯片贴装中对减少空洞的功效

关键词：

先艺电子,xianyi,低温合金预成形焊片,低温共晶焊料,In50Sn50,Bi58Sn42,Eutectic Solder,低温钎焊片,Sn62Pb36Ag2,Sn77.2In20Ag2.8,SAC105,SAC387（Sn95.5Ag3.8Cu0.7）,

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