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8 钎料熔滴与焊盘的界面反应
球栅阵列(BGA-Ball Grid Array)、倒扣(FC-Flip chip)封装已经逐步成为高密度微电子封装的主流，其关键技术之一是凸点制作，凸点的特性直接影响到封装的可靠性。最常采用的凸点材料为Sn基钎料，目前常用的凸点制作技术一般采用蒸镀、电镀、印刷、拾放等方法将钎料合金、钎料膏、钎料球等预先置于基板上的凸点下金属化层(UBM-Under-Bump Metallurgy)上，然后采用加热使钎料合金重熔形成接近圆球形的凸点。以上方法潜在的问题是钎料合金的放置过程中工具可能会对芯片表面产生损伤，另外增加了制造成本；而随后的加热过程会对芯片或封装产生热的影响。
将一定温度的熔融的钎料液滴(以下简称熔滴)滴落到金属化焊盘上，利用熔滴所携带的热量加热焊盘并形成凸点，使钎料合金分配和加热过程同时进行，生产效率高；同时没有工具的接触也就避免了对芯片表面的损伤；而且加热是局部的，对芯片或封装整体没有加热影响，是一种新型的凸点成型技术。形成钎料熔滴有各种方式，但对熔滴与焊盘金属之间的相互作用以及形成连接的机制，研究尚少。
以下内容是对这样一个基本问题的研究结果：一定质量并具有一定温度的钎料熔滴从一定的高度滴落到金属焊盘上，接触时的温度、形成润湿和铺展以及连接的过程和条件。并对界面组织进行了分析。
实验中所采用的钎料是Sn/Pb共晶合金，熔滴直径0.67mm。焊盘金属化层为Cu/Ni/Au，直径0.6mm。
8.1 钎料熔滴与焊盘接触时的温度
在熔滴的滴落过程中，由于与周围气体的换热等，其温度要下降。如果温度下降过多使与焊盘接触时的温度太低，不足以加热焊盘到可焊接温度，则熔滴与焊盘就实现不了连接。因此，滴落过程中的温度损失是首先要明确的问题。
在钎料熔滴的滴落过程中，周围环境气体相对于熔滴成运动状态，可以认为熔滴向环境散失热量的过程是强迫对流过程，此处忽略熔滴表面的热辐射损失。根据牛顿冷却公式，有：
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根据以上推导，选定各条件下的参数值，通过计算获得各不同钎料球初始温度下钎料到达焊盘瞬时温度。图8-1显示了下落高度分别为1mm,8mm时下落前后的钎料熔滴的温度关系，由图中可见，下落高度对温度变化的影响不明显。考虑凸点制作过程中，钎料下落高度不宜过高，因此，初始温度对下落后钎料球温度的影响是主要的。
8.2 钎料熔滴与焊盘接触后的温度变化
由钎料球到达焊盘时的温度作为初始温度可推出其到达焊盘后直到凝固的时间间隔。考虑钎料球的热传导、与空气的热对流及热辐射有：
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由以上两式，估算出到达凝固的时间间隔为6-7ms。采用有限元方法更精确的计算结果如图8-2所示(熔滴初始温度400℃)。
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图8-1 在滴落过程中熔滴温度的损失
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图8-2 熔滴与焊盘接触后的各点温度变化的有限元计算结果
8.3 钎料熔滴与焊盘接触后界面反应
从图8-2所示的数据中可以看出，钎料熔滴所携带的热量是可以将焊盘的温度加热到钎料熔点以上，满足钎料润湿、铺展的基本条件。但是在6-7ms的时间里而且温度又是不断下降的，钎料与焊盘之间是否可以发生足够的反应，仍然需要进一步研究。
图8-3是在不同熔滴初始温度条件下得到的凸点的界面的微观组织。
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图8-3 不同初始温度下的钎料/焊盘界面微观组织扫描电镜照片
(a) 300℃ (b) 350℃ (c) 400℃ (d) 450℃；滴落高度1mm
当初始温度为300℃时(图8-3(a))，在界面上的薄层组织经EDX分析其成分主要是Au，说明Au层基本没有反应。原因是由于温度太低，在这段时间里传导的热量不足以使焊盘的温度升高到使Au有充足的时间溶解达到饱和溶解度并析出。
当初始温度为350℃，界面处出现了连续层状的金属间化合物，并且有针状化合物从界面处长出，针状化合物间出现了白色的富Pb相(图8-3 (b))。经进一步的EDX分析，这一连续层状物的下部靠近Ni层的成分为AuSn2和未反应的Au，上部靠近钎料处针状化合物成分为AuSn4。出现金属间化合物层说明：熔融的钎料球与Au焊盘接触后，Au迅速向液态钎料中溶解并使界面一薄层达到饱和溶解度，从而析出金属间化合物，但是焊盘在183℃以上温度停留的时间不够长，仍然有一部分Au未参加反应。出现富Pb相是因为生成AuSn4的过程中，消耗了大量的Sn，使局部Sn的浓度很低从而导致富Pb相的形成。
钎料球初始温度升高到400℃，Au层变得更薄，反应生成界面化合物层，针状化合物变粗，成为棒状，如图8-3 (c)所示。进一步EDX分析显示，棒状化合物成分为AuSn4，界面化合物层的主要成分为AuSn2。由于温度更高，焊盘在共晶点以上温度停留时间也较之长，因此金属间化合物有充分时间长大。
当初始温度升高到450℃时，界面处的金属间化合物层变得很薄，AuSn2完全转化为AuSn4，棒状AuSn4生长极为明显，Au层完全溶解，露出底下的Ni层，如图8-3 (d)所示。在离界面不远的钎料里发现细小的AuSn4，即金属间化合物脱离界面进入钎料中，这可能与钎料球下落与焊盘撞击过程和凝固过程中，都会产生液态金属的流动，而Au-Sn化合物较脆，因此在金属流动的作用下导致折断的缘故。另外，冷却过程中较大的冷却速率导致界面处存在较高的应力，也会致使Au-Sn化合物折断。
以上结果与钎料球激光重熔的结果很相似，也具备相同的特点。比激光重熔的时间更短，而且由于激光不直接加热，不存在激光功率过大或发射等对基板的损伤，因此更为安全。
[align=right][color=#000066][此贴子已经被作者于2005-6-28 15:23:35编辑过][/color][/align]
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王春青、李明雨<|||>
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哈尔滨工业大学<|||>
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2005-6-28 |
