激光焊接與回流焊接對(duì)焊點(diǎn)影響的對(duì)比分析——綠志島

隨著“后摩爾時(shí)代”的來(lái)臨，小芯片異構(gòu)集成將成為半導(dǎo)體封裝的主流趨勢(shì)。為實(shí)現(xiàn)靈活的模塊化集成和片上系統(tǒng)集成，小芯片往往需要在3D方向上進(jìn)行封裝。然而，3D封裝技術(shù)也帶來(lái)了一些挑戰(zhàn)，如大功率電子元件散熱問(wèn)題和對(duì)不同熱敏部件的互連要求。在這種情況下，激光焊接作為一種局部非接觸加熱的焊接工藝，逐漸成為了一種替代傳統(tǒng)回流焊接的方法。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

為了研究激光焊接和回流焊接對(duì)焊點(diǎn)界面IMC（金屬間化合物）生長(zhǎng)的影響，工程師采用直徑為100μm的SAC305焊料球，在含有Ni-P UBM（鎳磷合金底層）的硅基中介層上進(jìn)行焊接。實(shí)驗(yàn)中，激光焊接的能量設(shè)定為7.5mJ，回流焊的峰值溫度設(shè)為250℃。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，不同焊接工藝下得到的SAC305微凸點(diǎn)的界面IMC及焊料基體的厚度和形貌存在顯著差異。激光焊接后的界面IMC呈顆粒狀，厚度約為0.6μm；而回流焊后的IMC則呈針狀，厚度達(dá)到1.3μm。此外，激光焊接后的微凸點(diǎn)基體中存在小粒狀的(Cu, Ni)6Sn5顆粒，回流焊后的微凸點(diǎn)基體中則觀察到相對(duì)較大的IMCs顆粒。同時(shí)，Ni-P UBM在回流焊過(guò)程中被大量消耗，而在激光焊接過(guò)程中的消耗較少。

在150°C等溫老化條件下，無(wú)論是激光焊接還是回流焊接，IMC的厚度都隨老化時(shí)間的增加而增加。經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的老化，激光焊接微凸點(diǎn)中的(Cu, Ni)6Sn5顆粒由小顆粒狀轉(zhuǎn)變?yōu)樯蓉悹睿亓骱肝⑼裹c(diǎn)中的IMC則由針狀逐漸生長(zhǎng)為短棒狀。盡管激光焊接的(Cu, Ni)6Sn5顆粒體積較小，但由于其晶界較大，原子擴(kuò)散更容易導(dǎo)致晶粒生長(zhǎng)速度明顯加快。然而，激光焊接后的IMC厚度仍然明顯薄于回流焊接后的IMC。

剪切強(qiáng)度分析

剛焊接完成時(shí)，激光焊接微凸點(diǎn)的剪切強(qiáng)度略高于回流焊接微凸點(diǎn)。工程師認(rèn)為這是由于激光焊接過(guò)程中析出的微小顆粒較多，有助于抑制裂紋擴(kuò)展。然而，當(dāng)老化時(shí)間達(dá)到100小時(shí)時(shí)，兩種焊接工藝下的微凸點(diǎn)剪切強(qiáng)度均出現(xiàn)明顯下降。隨著老化時(shí)間的進(jìn)一步增加，剪切強(qiáng)度的變化趨于平緩。此外，對(duì)于多次回流過(guò)程而言，激光焊接能夠使微凸點(diǎn)保持更高的剪切強(qiáng)度。隨著回流次數(shù)的增加，激光焊接和回流焊微凸點(diǎn)的剪切強(qiáng)度均略有下降。

綜上所述，激光焊接和回流焊接在焊點(diǎn)界面IMC生長(zhǎng)和剪切強(qiáng)度方面存在明顯差異。激光焊接具有局部非接觸加熱、溫度變化快等優(yōu)點(diǎn)，能夠在一定程度上提高焊點(diǎn)的使用可靠性。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，還需根據(jù)具體需求和條件來(lái)選擇合適的焊接工藝。