共 晶 烧 结 贴 片 氮 气 保 护 改 进 研 究

熊化兵,罗 驰,李金龙,江 凯,李双江,尹 超,陶怀亮

(中国电子科技集团公司 第二十四研究所)

摘 要:

军用陶瓷或金属封装中的共晶烧 结 芯 片 贴 装 工 序 存 在 的 主 要 问 题 是,Sn 基 焊 料 极 易 氧化形成 Sn2O、SnO2 等氧化物,在共晶 过 程 中 不 断 堆 积 在 焊 料 表 面,形 成 焊 料 表 面 悬 浮 颗 粒,造 成PIND 失效。文章基于氧化膜破裂理论,通过对当前使用的共晶烧结氮气保护的结构进行改进,采用小型半密闭腔体的方式实现了局部高纯度氮气保护环境。在共 晶 烧 结 贴 片 过 程 中,氧 化 膜 破 裂融入焊料体内,同时因氧化膜破裂而流出的熔融焊料在良好的氮气保 护 环 境 下 形 成 新 的 光 亮 圆 润的焊料表面,有效减少了焊料表面悬浮氧化物颗粒。统计数据表明,该改进研究有效降低了 PIND失效率和成品筛选电路的成本损失;该改进实现了共晶烧结贴片焊料 表 面 极 少 产 生 悬 浮 氧 化 物 颗粒,极大地降低了可动颗粒导致的电路短路、断路等误动作的危害性和可靠性风险。

0 引 言

军用陶瓷或金属封装中的芯片贴装通常采用共晶焊料烧 结 的 方 式[1-4],这 种 方 式 存 在 的 主 要 问 题是,Sn基焊料极易氧化形成 Sn2O、SnO2 等氧化物,在表面形成极薄的氧化膜,在共晶过程中,若氮气保护效果不良,熔融的焊料在高温下更易氧化,最终造成氧化物不断地 堆 积 在 焊 料 表 面,形 成 表 面 悬 浮 颗粒,该 悬 浮 颗 粒 极 易 在 电 路 使 用 过 程 中,因 发 射、震动而脱离焊料本体,并随机移动,碰撞损伤芯片表面或键 合 引 线,造 成 电 路 短 路、断 路,具 有 极 大 的 危 害性和可靠性风险。

高可靠电子元器件对封装内腔体有十分严格的要求,其 中,PIND 检 测 试 验 (粒 子 碰 撞 噪 声 检 测,GJB548B-2005,方法 2020.1)是 军 用 电 子 元 器 件 检测的重要规范之 一,目 的 在 于 检 测 器 件 封 装 腔 体 内存在的自由粒子,是一种非破坏性试验。研究表明,焊料表面的悬浮氧化物颗粒是封装体内部可动自由粒子的主要来源之一。所以,需要在共晶过程中,严格控制焊料表面 悬 浮 氧 化 物 颗 粒 堆 积 的 情 况,减 少PIND 失效率。

国内外 对 控 制 悬 浮 氧 化 物 颗 粒 采 取 了 诸 多 措施,如在共晶贴 片 过 程 中 使 用 助 焊 剂 以 减 少 氧 化 物颗粒的形成,但一般 助 焊 剂 的 分 解 温 度 为 240 ℃ 左右,无法适用于工艺 温 度 为 320 ℃ 左 右 的 金 锡 共 晶贴片过程,且助焊剂残留很难清洗干净,存在助焊剂污染等问题。还 有 方 法 是 在 共 晶 贴 片 过 程 中 使 用N2/H2 混合气 体,但 氢 气 是 易 燃 气 体,对 安 全 生 产提出了更高的要 求,且 氧 化 物 的 还 原 需 要 很 高 的 温度。C.C.Dong等人[5]研究表 明,纯 H2 或 含 有 H2的混合气体还原 Sn63Pb37 焊 料 表 面 的 氧 化 物 是 非常困难的,即使加热到360 ℃,依然不能有效还原表面氧化物,必须达到的温度高达430 ℃,明显高于该共晶焊料的熔点 和 对 应 的 工 艺 温 度,对 于 实 际 的 生产工艺并不适用。

Y.T.Lai等人[6]的研究表明,焊料 表 面 的 氧 化层会破 裂,他 们 研 究 了 共 晶 AuSn 焊 料 在 Au 上 的润湿反应,结 果 表 明,当 焊 料 开 始 润 湿 Au 时,焊 料表面 初 始 形 成 的 SnO 层 会 转 换 成 SnO2,该 氧 化 层会阻止焊 料 发 生 铺 展,使 焊 料 呈 球 状,随 着 更 多 的Au向焊料内部 的 扩 散 和 溶 解,Sn 的 氧 化 层 会 被 破坏,熔融焊料从氧化层的裂缝处 流 出,与 Au直 接 接触,润湿 Au基。C.C Dong 等 人 研 究 表 明[7],在 良好的惰性和还原气氛下,随着加热温度的升高,溶解量显著增加,当达到一定温度后,薄层氧化物可全部熔进焊料内部,从而使焊料表面不存在氧化物,且提高了润湿性。

上述的文献资料研究结果表明,在共晶过程中,一方 面,焊 料 氧 化 层 发 生 破 裂,另 一 方 面,新 的 熔 融焊料从氧化层的 裂 缝 处 流 出 形 成 新 的 表 面,如 果 在焊料形成新的表 面 时 保 证 良 好 的 氮 气 保 护,则 不 会发生焊料的二次 氧 化 物,也 就 不 会 在 焊 料 表 面 形 成悬浮氧化物颗粒,同时焊料具有更好的润湿性。

M.Z.DONG 等 人[8]的 研 究 结 果 表 明,氮 气 保护能 够 提 升 焊 料 的 润 湿 性 和 可 靠 性。L.J.WANG等人[9]的研究结 果 表 明,氧 含 量 会 极 大 地 影 响 焊 料的润湿 性,当 达 到 1.02×10-4 时,润 湿 性 就 已 明 显恶化,焊料表 面 氧 化 物 在 其 达 到 4.2×10-5 时 就 已经开始形成,氧含量的增加会诱导形成空洞和缺陷,结 果 表 明,含 量 小 于 2.0×10-5是 最 优 的 工 艺 条 件。Y.LI等人[10]研究结果亦表明,随着氧含量从1.8×10-5增加到 7.7×10-5,焊 料 的 流 散 性 和 润 湿 性 迅速降低,在较高的氧含量下,焊料中也出现了空洞和微缺陷,剪切强度降低,焊料表面也发现了明显的氧化,含量小于2.7×10-5是最优条件。X.L.GUI等人[11]认为,氮气保护能够有 效 地 提 升 焊 料 润 湿 性 和降低焊料氧化的水平,并加速焊料的润湿过程。

基于以上技术背景、工艺和可靠性要求、氧化膜破裂理论,文章 致 力 于 改 进 当 前 共 晶 贴 片 的 氮 气 保护结构,提升氮气保护效果,以实现共晶烧结贴片焊料表面产生极少 悬 浮 氧 化 物 颗 粒,实 现 光 亮 圆 润 的焊料表面。

1 氮气保护结构改进

1.1 共晶烧结过程简述

手工、自动共晶 烧 结 贴 片 过 程 均 是 在 确 认 共 晶台上管壳中的焊 料 软 化 后,持 芯 片 轻 轻 施 加 向 下 的压力,并以圆周 运 动 的 方 式 摩 擦 来 完 成 芯 片 共 晶 贴装。

1.2 当前共晶烧结氮气保护结构

现有的共晶烧结台氮气保护结构如图1所示。

伯努利效应的表达式为:

式中,P 为 压 强,ρ为 流 体 密 度,ν 为 流 体 速 度,g 为重力加速度,h 为高度,C 为常量。伯努利效应 理 论表明,流体流速快的地方,与流体接触的界面上压力会减小,反之,压力会增加,流体的流速越大,压强越小,流速越小,压强越大。

在图1中,在氮气高速流过加热台表面时,氮气流速 快,压 强 低,便 在 加 热 台 表 面 形 成 负 压,导 致 大量空气中的氧气 从 加 热 台 侧 面 及 表 面 流 过,形 式 上具备氮气保护 结 构,实 际 上 并 无 氮 气 保 护 效 果。 氮气流动时附带混 杂 空 气 而 使 其 纯 度 不 高,根 据 文 献[7],在 共 晶 摩 擦 及 Au 向 焊 料 内 部 扩 散 的 过 程 中,氧化膜虽已破裂,且新的熔融焊料已流出焊料表面,但因氮气的保护效果不足,焊料发生了二次氧化,一方面,导致焊料润湿性不良,流散性不强,另一方面,氧化物在摩擦过 程 中 再 次 在 其 表 面 悬 浮 堆 积,未 能达到控制焊料氧化物颗粒悬浮的目的。

1.3 改进的氮气保护结构(方案一)

改进的氮气保护结构(方案一)如图2所示。

方案一通过四面包围式,从侧面吹拂氮气,底面空隙处加装氮气气刀,但仍然效果不良,根据伯努利效应,吹 拂 氮 气 时,加 热 台 表 面 依 然 形 成 负 压,附 带空气进入烧结台面,焊料表面形貌仍然不良。

1.4 改进的氮气保护结构(方案二)

改进的氮气保护结构(方案二)如图3所示。

方案二采用正 面 加 盖 的 方 式,不 易 产 生 伯 努 利效应,氮气保护效果良好,但存在的问题是氮气包围结构不易固定,整体平台不稳固。

1.5 改进的氮气保护结构(方案三)

改进的氮气保护结构(方案三)如图4所示。

方案三设计为 包 围 式 氮 气 保 护 结 构,将 加 热 台及其底座整体包围,正面加盖,仅露出需要共晶的加热台表面,整体形成半密封的结构形式,氮气仅从底面侧部流进,从上面加盖的开口处流出,整体结构稳定,不产生伯努利效应。

改进前后的焊 料 表 面 形 貌 如 图 5 所 示,改 进 前后的焊料表面形貌的扫描电镜分析如图6所示。

结果表明,该改 进 成 功 地 实 现 了 良 好 的 氮 气 保护效果,形成了光亮圆润的焊料表面。改进前,焊料表面颜色暗淡,表面形貌粗糙,有大量悬浮氧化物颗粒。改进后,焊 料 表 面 效 果 良 好,焊 料 表 面 光 亮 圆润,极少有悬浮氧化物颗粒堆积或粘附,不会在封装腔体中 产 生 可 动 颗 粒 物 而 使 器 件 失 效,同 时 满 足GJB548B-2005中方法2019.2的芯片剪切强度测试要求,以及 GJB548B-2005中方法2012.2的 X 射线照相测试的要求。

实现方案三的主要的关键点是:1)半 密 闭 腔 体(非设定出气口要密封);2)氮 气 持 续 流 动;3)氮 气流量不小于20L/min;4)腔体正压;5)全程开启氮气流动保护,氮气流过焊料表面;6)在共晶 过 程 中,须对芯片与基板 之 间 施 加 以 一 定 次 数 的 摩 擦,促 使焊料表面氧化膜破裂。

全面完成在线 使 用 的 所 有 共 晶 台 的 改 进 后,可适用于所有采用 共 晶 烧 结 贴 片 的 封 装 项 目,所 有 批次 电 路 均 得 到 了 实 际 应 用,使 用 率 100%。 所 有 共晶烧结的焊料表 面 均 达 到 了 光 亮 圆 润 的 效 果,有 效地降低了管壳腔体内部产生可动悬浮焊料氧化物颗粒的概率。

大批量数据统 计 表 明,改 进 前 烧 结 类 产 品 的 平均 PIND 失效 率 为 2.01% (测 试 总 电 路 数 243364只,PIND 失效4896只),改进后的烧结类产品的平均 PIND 失 效 率 为 0.47% (测 试 总 电 路 数 36853只,PIND 失效173只),失 效 率 降 低 了 1.54 个 百 分点。改进前后的 PIND 失效率对比如图7所示。同时,通过改进降低了 PIND 失效率,减少了成品电路筛选过程中的 PIND 测 试 报 废,有 效 地 降 低 了 成 本损失。

2 结 论

本文基于氧化 膜 破 裂 理 论,通 过 对 当 前 使 用 的共晶烧结氮气保 护 的 结 构 改 进,采 用 小 型 半 密 闭 腔体的方式实现了局部高纯度氮气保护环境。在共晶烧结贴 片 过 程 中,氧 化 膜 破 裂 融 入 焊 料体内,同时因氧化膜破裂而流出的熔融焊料,在良好的氮气保护环境下,形成新的光亮圆润的焊料表面,有效减少了焊料表面悬浮氧化物颗粒。统计数据表明,该改进研究 有 效 降 低 了 PIND 失 效 率 和 成 品 筛选电路的成本损失;另一方面,该改进实现了共晶烧结贴片焊料表面 极 少 产 生 悬 浮 氧 化 物 颗 粒,极 大 地降低了可动颗粒 导 致 的 电 路 短 路、断 路 等 误 动 作 的危害性和可 靠 性 风 险。 该 改 进 采 用 氮 气 保 护 的 方式,无氢气、甲酸的引入,实现方式简单,工艺过程安全可靠,解决了 本 领 域 内 共 晶 烧 结 氮 气 保 护 的 关 键性问题和共性的技术难题。