摘 要

本文利用钎料熔滴键合方法实现了传感器与基板焊盘之间的互连，对这种工艺下的接头形态、接头的形成过程及微观组织特征进行了研究。结果表明，熔滴的初始温度是影响焊点形态的关键因素，只有当初始温度达到一定值时才能形成完整焊点；润湿铺展过程中，熔滴接触焊盘的瞬间将发生扁平变形，随后扁平端的回收将促进润湿铺展的进行，另外，两侧焊盘导热条件的差异使得两侧润湿铺展过程异步进行；钎料熔滴能够利用其自身携带的热量与两侧焊盘形成良好的冶金结合，界面反应充分，同时快速的凝固条件使得接头微观组织细小、均匀。

关键字：钎料熔滴；润湿铺展；界面反应；微观组织

Abstract: The interconnection between sensor and substrate was realized by molten solder droplet bonding in this study, and the joint configuration, forming process and microstructure were analyzed. The results shows that, the key factor influence joint configuration is the initial temperature of the droplet, and a complete joint can be formed only when the initial temperature above one certain value; the droplet will go through oblate deformation as soon as contacting pads, then its recovery will push the wetting and spreading, and the wetting process at the two side pads are asynchronous due to the difference of heat conductivity between the two pads; good metallurgic interconnection can be formed by the molten droplet itself with sufficient interfacial reaction, and the microstructure of solder joint is extreme fine and homogeneous.
Keywords: molten solder droplet; wetting and spreading; interfacial reaction; microstructure

1.引言
利用钎料熔滴实现微电子互连是最近几年发展起来的新技术，目前的主要应用是各种面阵封装中的凸点制作，包括球栅阵列封装（BGA）、芯片尺寸封装（CSP）、倒装芯片封装（Flip Chip）以及微机电系统封装（MEMS）等[1-4]。最近，因其独有的特点，这种工艺也在一些键合互连中得到了应用，比如光电子器件封装（Optoelectronic devices）、传感器封装（Sensors）等。这些器件的封装互连需要满足许多特殊要求，比如接头尺寸极小、不能使用钎剂、只能局部加热不能整体加热、不能有工具接触、需要灵活控制互连点位置等[5]。利用钎料熔滴键合的方式恰好能满足这些苛刻的互连要求。
钎料熔滴键合是将一定温度的熔融钎料液滴滴落或喷射到金属化焊盘上，利用熔滴所携带的热量加热焊盘并形成连接。这种连接方式的主要优点是能实现极小尺寸的互连，熔滴大小可小至几十微米；钎料分配与加热过程同时进行，生产效率高；同时，通过对熔滴的数字控制，可实现焊接位置的精确控制，从而实现极小间距的互连；再者，熔滴的加热是局部的，对封装整体没有热影响；另外，连接过程中无需工具接触，避免了工具与器件表面接触而造成器件表面损伤，是一种新型的微电子封装与互连技术[6]。
由于目前钎料熔滴的主要应用是凸点制作，研究工作多在这方面展开，而对钎料熔滴键合则研究甚少。本文的主要目的就是探索性分析钎料熔滴键合接头的形成过程及微观组织特征。

2.实验材料与方法
2.1 实验装置
本研究采用的实验装置如图1所示。工作方式如下，将一个钎料球置于圆锥形喷嘴内，喷嘴口直径略小于钎料球直径，恰好能固定住钎料球而不使其落下；然后向喷嘴中通入氮气，同时向钎料球发射一个脉冲激光，加热钎料球使其熔化形成熔滴；熔滴在氮气压力的作用下从喷嘴中喷射出来，撞击位于其正下方的相互垂直焊盘，熔滴在焊盘上润湿铺展完成连接。激光脉冲采用Nd:YAG固体激光器发出，脉冲波长是1064nm。整个焊接过程采用氮气保护。所有的定位过程及过程控制均采用计算机精确控制。
2.2 实验材料
图2是两侧焊盘材料的截面示意图。传感器焊盘位于垂直侧，其基体材料是Al2O3，焊盘UBM（Under Bump Metallization,凸点下金属层）结构为电镀Ni/Au，Al2O3的厚度约30μm，Ni、Au层厚度分别为0.1μm和0.8μm；基板上的Cu焊盘位于水平侧，铺在聚酰亚氨（PI）之上，UBM结构也为电镀Ni/Au，Au、Ni、Cu层厚度分别为2.0μm、2.0μm和15.0μm。传感器焊盘大小为80×90μm、基板焊盘大小为80×100μm；两侧焊盘间距在水平方向约25μm、垂直方向约5μm。钎料球选用Sn-3.5Ag-0.5Cu，直径为90μm。
2.3 实验过程
首先用超声清洗焊盘，去除焊盘表面的油污与杂质，并将传感器通过固化胶粘贴在基板的相应位置上。将粘合好的焊盘按图1所示方式置于工作台上，进行熔滴键合实验。为保证熔滴能精确喷射到两个焊盘的中部，尽量减小喷嘴口与焊盘中部的垂直距离，设定为200μm，并根据经验控制氮气压力为40mbar。实验中，依次缓慢改变激光能量，使熔滴具有不同的初始温度进行喷射连接实验。完成键合后的接头用扫描电镜观察焊点形态及微观组织。
为分析接头的微观组织，首先将原始钎料球及键合后焊点进行垂直切片，再到磨样机进行研磨，并采用颗粒度为0.125μm的金刚石抛光剂在抛光机上进行抛光。抛光后的试样采用2%HCl-98%CH3CH2OH溶液进行腐蚀，以便于微观组织形貌的观察。

3.实验结果与分析
3.1 不同激光能量下的接头形态
图3是激光能量逐渐增大过程中焊点形态的变化。当能量低于7mj时，熔滴在两侧焊盘均不能完成润湿铺展，但传感器焊盘润湿铺展的程度明显大于基板焊盘；同时，焊点成扁平态，能量越低扁平程度越大。当能量在7~8mj时，传感器焊盘能被完全润湿，而基板焊盘则只能部分润湿；直到大于8mj 时，两侧焊盘才能都被完全润湿，形成完整焊点。由于激光能量决定了熔滴的初始温度，说明只有当初始温度达到一定值时，才能形成完整焊点。
3.2.接头成型过程分析
实现熔滴键合过程所需的能量都是由熔滴本身提供的，当激光能量不足而造成熔滴初始温度较低时，熔滴就会在润湿铺展过程中由于能量不足而突然停止下来，过早发生凝固，不能形成完整焊点。能量越低润湿铺展停止越早，能量越高停止越晚，能量高于一定数值才能完全铺展两侧焊盘。这种润湿铺展过程的突然停止正好反应了润湿铺展过程的中间状态，不同低能量下的焊点形态变化也反应了形成完整焊点的润湿铺展过程。从图3可以看出，润湿铺展过程主要具有以下两个主要特征：

1）熔滴与焊盘接触瞬间的扁平变形
由于熔滴是受到氮气压力作用而喷射出来的，撞击焊盘时的瞬间必然具有一定的冲击速度。计算可得，激光能量在6~8mj时的冲击速度约为2~3m/s。如此大的冲击速度必将使熔滴接触焊盘的瞬间受到很大的焊盘阻力，并在其自身惯性力的作用下迅速向两个自由端发生扁平变形。
扁平的两端达到最大变形程度后将在其自身内聚力和表面张力的作用下发生回收，回收过程中在两侧焊盘产生的推力将促进润湿铺展的进行。
2）两侧焊盘的异步铺展
传感器焊盘的基体材料是Al2O3，基板焊盘的基体材料是Cu，而Cu的导热能力远大于Al2O3（Cu和Al2O3的导热系数分别为401W/m·K和22.7W/m·K）。这种导热能力的差异使得熔滴接触焊盘瞬间传感器焊盘界面温度的上升远快于基板焊盘，从而导致传感器侧界面率先发生润湿，并以更快的速度完成润湿铺展，基板焊盘的润湿铺展则明显滞后于传感器侧。从实验结果可以看到，当激光能量从6.0mj 到6.8mj变化时，传感器焊盘的铺展程度明显逐渐增大，而基板焊盘发生润湿铺展的程度很小，而且变化不大。大于7mj时基板焊盘的润湿铺展程度才开始明显增大，而此时传感器焊盘几乎已经被完全润湿铺展。（造成基板焊盘铺展较慢的另一个原因是其长度略长，比传感器焊盘长约10μm。）
3.3 键合过程的界面反应
图4是激光能量为8mj时钎料熔滴与焊盘反应形成接头的界面组织，可见两侧焊盘均实现了充分的冶金结合，界面反应充分。垂直焊盘由于Au层厚度较薄且在高温下保持时间较长，Au层与钎料发生了充分的反应，形成了大量的AuSn4，AuSn4的底部则生成一定量的AuSn2。水平侧焊盘Au层较厚，除了形成AuSn4与AuSn2金属间化合物之外，在靠近焊盘一侧还形成了AuSn化合物，而且残留了一小部分未发生反应的Au。AuSn4与AuSn2的针状形态说明凝固过程中界面处承受了较大的温度梯度和浓度梯度。
在两侧界面靠近钎料一侧都能发现一些折断的针状AuSn4，即界面金属间化合物脱离界面进入钎料体中，而且在水平侧分布更多，这很可能是凝固时液态钎料体与AuSn4化合物之间发生了相对移动造成的。由于AuSn4的凝固点高于钎料体，而且界面比钎料体温度降得更快，这造成AuSn4层凝固瞬间钎料体仍保持液态，使得针状的AuSn4嵌入到液态钎料中。随后钎料体凝固将发生一定程度的体积收缩（Sn/37Pb钎料凝固时的体积收缩比约为3.4%），这使得嵌入液态钎料中的针状AuSn4被折断而落入钎料体中。但是，这种对针状AuSn4的拉力还可能在界面处产生残余应力，严重时将造成界面金属间化合物内部产生裂纹，如图4(a)所示。

在离界面较远处的钎料体内也能看到一些AuSn4的微小颗粒，且其分布在靠近垂直侧界面比水平侧更密集。对这种在远离界面处AuSn4颗粒的形成有两种可能的原因。一方面是由于高温下Au在Sn中的溶解速度极快，使得Au迅速向钎料体内运动并扩散至钎料体远端，凝固时与Sn反应生成Au-Sn4；另一方面是熔融钎料体内的对流运动将界面处脆性的AuSn4带到了钎料体远端[7-9]。
3.4 键合前后钎料微观组织演变
图5是键合前后钎料组织经浅腐蚀后的扫描电镜照片；图6是用EDX （Energy Dispersive X-ray spec-trometer）分析的Ag元素在钎料体内的分布图；图7是经深腐蚀将β-Sn相腐蚀掉后钎料内金属间化合物的高分辨扫描电镜照片。从图5可以看出，

原始钎料球显微组织为初生相β-Sn和Sn、Ag、Cu共晶组织结构，共晶组织包围在β-Sn相周围，形成一种网络状组织。键合后的钎料体在相同尺寸下已无法看出这种网络状结构，Sn、Ag、Cu金属间化合物弥散分布在了钎料体内，而且由于溶解进入了一定量的Au，形成的AuSn4颗粒也弥散分布其中。Ag元素的分布图谱中也反应了键合后Ag3Sn化合物的均匀化。从深腐蚀后的高倍显微照片可以看出，键合后钎料体组织得到了明显细化，颗粒尺寸减小了五倍以上。但是，从图7(b)可以看出，在极小的尺度内Ag3Sn颗粒也并非绝对的弥散分布，而是相对聚集的分布在钎料体中，在一定程度上仍然保持了β-Sn初晶加共晶组织的结构。

钎料晶粒均匀化及细化是由凝固条件决定的。由于钎料熔滴极小，与焊盘接触时焊盘温度极低，熔滴撞击焊盘后将发生迅速降温，所携带的热量迅速被两侧焊盘导走，特别是Cu焊盘极快的导热速度使得钎料体迅速凝固下来。这样，钎料体凝固时具有极大的过冷度，内部的形核率极高，钎料组织以极小的结晶尺寸相对弥散地分布在钎料体中。钎料组织的细化及均匀化使得接头具有良好的机械性能[10]。

4.结论
1）影响熔滴键合接头形态的主要因素是熔滴的初始温度，只有当初始温度达到一定值时，才能提供完成润湿铺展所需要的能量从而形成完整焊点，初始温度过低则不能完成润湿铺展过程。
2）液滴撞击焊盘的瞬间将发生很大程度的扁平变形，随后扁平两端将向内回收并促进润湿铺展的进行；同时，受两侧焊盘导热条件不同的影响，液态钎料在快速导热一侧的润湿铺展明显先于并快于导热较慢的一侧。
3）熔滴与Ni/Au焊盘的瞬间反应就能实现良好的冶金结合，界面反应产物主要是AuSn4、AuSn2与AuSn化合物，Au层较厚时还将有一些残留的Au。同时，由于高温下Au在Sn中的快速溶解，一些细小的AuSn4颗粒也将离开界面而弥散分布在钎料体中。
4）钎料熔滴键合接头具有细密的微观组织，极其细小的纳米级金属间化合物颗粒相对弥散地分布在钎料体中。

参考文献

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