中溫焊料應(yīng)用_扇出型封裝焊料回流工藝優(yōu)化
中溫焊料應(yīng)用_扇出型封裝焊料回流工藝優(yōu)化
扇出型晶圓級封裝(FOWFLP)允許在芯片表面的外部實(shí)現(xiàn)更多的I/O，相比于扇入型封裝帶來更多優(yōu)勢。扇出型封裝的出現(xiàn)突破了設(shè)備中的I/O終端限制，被視為后摩爾時代的封裝解決方案。扇出封裝通常是在硅晶片上切割芯片，并將已知良好的芯片精確放置在薄的重構(gòu)或載體晶片上，然后對其進(jìn)行模制。然后在模制區(qū)域（芯片和扇出區(qū)域）的頂部形成再分線層(RDL)和放置焊料球。
SAC305無鉛焊料焊點(diǎn)測試
無鉛焊料球的制作可以用到中溫焊料如SAC305，通過BGA工藝移植到焊盤上。本文主要分析SAC305 BGA焊點(diǎn)的在扇出型封裝的可靠性，從而獲得最優(yōu)的回流工藝?？煽啃钥梢酝ㄟ^焊點(diǎn)形態(tài)，剪切強(qiáng)度來確認(rèn)。Zhang等人為特定的扇出封裝設(shè)計了PCB板，通過控制不同回流時間和峰值溫度，對扇出型封裝器件(72個焊點(diǎn))進(jìn)行了可靠性測試，研究了焊點(diǎn)微觀結(jié)構(gòu)，剪切強(qiáng)度和失效模式。
圖1. 測試扇出型封裝設(shè)備 (Zhang et al., 2022)。
不同回流工藝測試結(jié)果
Zhang等人發(fā)現(xiàn)SAC305焊料球在230°C峰值溫度回流5s后與ENIG電極實(shí)現(xiàn)冶金連接形成金屬間化合物。在回流5秒的時候開始出現(xiàn)金屬間化合物，在這個階段金屬間化合物都是(Cu, Ni)6Sn5。但是厚度較薄，焊點(diǎn)冶金連接強(qiáng)度不足。(Cu, Ni)6Sn5隨著時間的增加而生長，且晶粒逐漸粗化。此外，當(dāng)峰值回流溫度升到260°C回流10s后，(Cu, Ni)6Sn5晶粒在Sn-ENIG界面適度生長。(Cu, Ni)6Sn5晶粒形狀以棒狀為主且分布均勻。隨著回流時間增加。脆性(Cu, Ni)6Sn5厚度大量增加會導(dǎo)致機(jī)械性能下降，從而增加焊點(diǎn)的斷裂概率。
圖2. 不同回流峰值溫度和時間對焊接微觀結(jié)構(gòu)影響 (Zhang et al., 2022)。
當(dāng)峰值溫度為260℃，回流時間增加到20s，Sn原子擴(kuò)散到含鎳焊盤的表面并到達(dá)焊盤下方流動，與Cu原子反應(yīng)并轉(zhuǎn)化為(Cu, Ni)6Sn5。這導(dǎo)致焊盤體積收縮，容易從PCB上脫落。此外，在高溫下，回流時間太長使得原子大量擴(kuò)散到PCB表面，增加了PCB表面的應(yīng)力，導(dǎo)致焊盤在使用過程中容易脫落, 因此焊點(diǎn)的可靠性較差(Zhang et al., 2022)。
圖3. 260℃峰值溫度回流20s導(dǎo)致IMC增厚和焊盤脫落 (Zhang et al., 2022)。
可以看到在260℃峰值溫度回流20s所形成的焊點(diǎn)在斷裂后留下了發(fā)黑的焊坑。在斷裂處只檢測到微量Au和Ni原子，Cu和Sn原子則消耗殆盡?？赡苁窃诟邷亻L回流時間影響下被IMC生長所消耗。如果回流溫度繼續(xù)升高到260℃以上，焊盤過度溶解，脫落風(fēng)險進(jìn)一步提高。
圖4. 260℃峰值溫度回流20s所形成的焊點(diǎn)失效模式 (Zhang et al., 2022)。
總結(jié)
過高回流溫度和過長回流時間還會造成焊點(diǎn)氧化，導(dǎo)致更多孔洞形成。這嚴(yán)重降低了焊點(diǎn)的可靠性。此外，焊盤也會被進(jìn)一步溶解，從而減小焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度。因此Zhang等人認(rèn)為扇出型封裝最佳回流焊工藝溫度是時長為260℃和10s。在這個回流參數(shù)下形成的SAC305焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度達(dá)到了216.41N。
深圳市福英達(dá)能制造無鉛中溫錫膏和低溫錫膏，例如錫銀銅錫膏，錫鉍銀錫膏等，能夠替代微間距BGA焊料球使用。歡迎與我們聯(lián)系進(jìn)行進(jìn)一步了解。
參考文獻(xiàn)
Zhang, S.Y., Duan, R., Xu, S.W., Xue, P.F., Wang, C.Q., Chen J.S., Paik, K.W. & He, P. (2022). “Shear performance and accelerated reliability of solder interconnects for fan-out wafer-level package”. Journal of Advanced Joining Processes, vol.5.
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