貴州振華風(fēng)光半導(dǎo)體有限公司 王 芳 薛 山 諶帥業(yè) 謝 彥

1 背景

一直以來(lái)，SMD-0.5封裝產(chǎn)品合金焊中采用的粘結(jié)材料多是銀錫焊料。隨著半導(dǎo)體集成電路的發(fā)展，使用銀錫焊料粘結(jié)的缺點(diǎn)逐漸暴露。

經(jīng)過(guò)多次對(duì)使用銀錫焊片粘結(jié)的SMD-0.5封裝產(chǎn)品失效樣品分析發(fā)現(xiàn)，銀錫焊料因熔點(diǎn)低經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)二次融化，造成產(chǎn)品浸融面積過(guò)大，對(duì)連接管基的鍵合絲造成浸蝕，進(jìn)而造成產(chǎn)品電參數(shù)超差、鍵合拉力不合格等現(xiàn)象，存在可靠性隱患。

針對(duì)銀錫焊料在SMD-0.5封裝產(chǎn)品中因熔點(diǎn)低存在的二次熔化問(wèn)題，參閱相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)金錫焊料熔點(diǎn)比銀錫焊料熔點(diǎn)更高，本文通過(guò)正交試驗(yàn)、X射線檢查、芯片剪切強(qiáng)度試驗(yàn)、可焊性試驗(yàn)驗(yàn)證金錫焊料在SMD-0.5封裝應(yīng)用中的可靠性。

2 金錫焊料特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

在對(duì)SMD-0.5封裝的電源類(lèi)產(chǎn)品芯片燒結(jié)中發(fā)現(xiàn)，用相同的工藝曲線燒結(jié)同一產(chǎn)品時(shí)，部分產(chǎn)品銀錫未熔化而部分已經(jīng)攤開(kāi)的現(xiàn)象，這種情況將會(huì)對(duì)后續(xù)的自動(dòng)鍵合機(jī)鍵合聚焦鍵合點(diǎn)形成阻礙，影響自動(dòng)鍵合。熔點(diǎn)越高的焊料，對(duì)外殼材料的導(dǎo)熱率包容性越大，工藝窗口也越寬。

組分為Au80Sn20的金錫焊料，其熔點(diǎn)為280℃，較銀錫焊料具有更高的熔化溫度。因此選用熔點(diǎn)更高的金錫焊料，不但可以有效避免焊料的二次熔化，而且能夠獲得更大的工藝窗口，使得合金焊工藝更加穩(wěn)定可靠。

3 方案及實(shí)施過(guò)程

為實(shí)現(xiàn)燒結(jié)過(guò)程中金錫焊料（Au80Sn20）的均勻溢出與鋪滿(mǎn)，需選取合適面積的焊料以及合適重量的壓塊。然后，通過(guò)正交試驗(yàn)選定最合適的參數(shù)組合，并通過(guò)X射線檢查、芯片剪切強(qiáng)度試驗(yàn)、可焊性試驗(yàn)驗(yàn)證其適用性。

3.1 夾具設(shè)計(jì)

為防止燒焊過(guò)程中，芯片的移動(dòng)，人工擺放芯片偏差過(guò)大，影響后續(xù)自動(dòng)鍵合機(jī)圖像識(shí)別效率，故設(shè)計(jì)了芯片定位夾具。

SMD-0.5類(lèi)型產(chǎn)品燒焊定位夾具設(shè)計(jì)：在設(shè)計(jì)芯片定位夾具的時(shí)候，采用了不銹鋼材質(zhì)，為了解決芯片邊緣崩邊，對(duì)夾具的四角分別挖了孔，避免芯片邊緣卡住，如圖1所示，該夾具除了芯片定位外也利于壓塊的擺放。

圖1 SMD-0.5型封裝產(chǎn)品定位夾具實(shí)物圖

3.2 壓塊和焊片的選取

通過(guò)對(duì)以往SMD-0.5型封裝產(chǎn)品的銀錫燒結(jié)工藝和壓塊的了解，訂制了幾種不同尺寸的焊片并使用不同的壓塊重量進(jìn)行燒結(jié)對(duì)比試驗(yàn)，如表1所示。

表1 SMD-0.5型封裝產(chǎn)品不同壓塊和焊片的燒結(jié)現(xiàn)象

圖2 工藝曲線

對(duì)表1中樣品進(jìn)行對(duì)比分析，最后選取2.2×2.2×0.03mm的焊片和0.03g的壓塊，溢出焊料均勻，取10只樣品進(jìn)行剪切力測(cè)試平均值為8.4kg。

3.3 燒結(jié)溫度-時(shí)間工藝曲線優(yōu)化

在對(duì)SMD-0.5封裝的電源類(lèi)產(chǎn)品芯片燒結(jié)中發(fā)現(xiàn)，用相同的工藝曲線燒結(jié)同一產(chǎn)品時(shí)，部分產(chǎn)品銀錫焊料未熔化而部分已經(jīng)攤開(kāi)的現(xiàn)象，這種情況將會(huì)對(duì)后續(xù)的自動(dòng)鍵合機(jī)鍵合聚焦鍵合點(diǎn)形成阻礙，影響自動(dòng)鍵合。

本次燒結(jié)主要是利用真空燒焊機(jī)設(shè)備燒結(jié)，通過(guò)以往用真空燒焊爐燒焊金錫的曲線經(jīng)驗(yàn)，可以簡(jiǎn)單制作一個(gè)工藝曲線進(jìn)行深入摸底，工藝曲線實(shí)施步驟為：常溫→預(yù)熱升溫→保溫(增加溫度均勻性)→升至焊接溫度→保溫焊接→降溫(冷卻)。

SMD-0.5型封裝產(chǎn)品燒結(jié)曲線摸底：

（1）溫差摸底

在燒結(jié)前，首先得先摸底出傳熱板內(nèi)不同位置的溫度及夾具表面溫度和設(shè)置溫度的溫差多大，才能更有效的設(shè)置溫度曲線和產(chǎn)品擺放。首先對(duì)夾具相鄰位置的溫度進(jìn)行摸底如圖3a所示，發(fā)現(xiàn)溫差基本懸殊不大，再對(duì)夾具左上角與右下角的位置進(jìn)行測(cè)量如圖3b所示，溫差大概在5℃左右，而在摸索試驗(yàn)中，5℃左右的溫差基本對(duì)于金錫燒結(jié)不會(huì)構(gòu)成太大影響，但如果懸殊15℃以上，可能就會(huì)導(dǎo)致某些位置不能擺放產(chǎn)品，否則將影響金錫的鋪展、熔化浸潤(rùn)。

圖3a 溫差摸底

圖3b 溫差摸底

（2）燒結(jié)曲線摸底

由于Au80Sn20預(yù)制焊片的熔點(diǎn)是280℃，焊接溫度設(shè)置，一般應(yīng)比焊片熔點(diǎn)溫度高10℃～40℃，所以實(shí)際焊接溫度應(yīng)該為290℃～320℃。

按照正交試驗(yàn)的方法，根據(jù)燒焊工藝經(jīng)驗(yàn)選取保溫溫度、保溫時(shí)間、焊接溫度和焊接時(shí)間為本試驗(yàn)的試驗(yàn)因素，設(shè)立如表2和表3所示的正交試驗(yàn)分組。按該方案進(jìn)行9組試驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)先放10套FW7805材料（芯片、SMD-0.5外殼、金錫焊料等）進(jìn)行摸底，記錄試驗(yàn)結(jié)果。根據(jù)剪切強(qiáng)度確定各因素的優(yōu)化水平組合，再通過(guò)計(jì)算極差列出各指標(biāo)下的因素主次順序，綜合分析，確定最佳工藝參數(shù)，再用FW7805和FW79M08各20套材料（芯片、SMD-0.5外殼、金錫焊料等）做一次試實(shí)驗(yàn)，以確認(rèn)該條曲線為最佳燒結(jié)曲線。

表2 燒結(jié)曲線試驗(yàn)因素水平表

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)正交試驗(yàn)獲得了一組最優(yōu)組合數(shù)據(jù)，利用這組數(shù)據(jù)編寫(xiě)進(jìn)金錫焊接程序，對(duì)20只FW7805和FW79M08產(chǎn)品進(jìn)行燒結(jié)，并測(cè)試剪切力強(qiáng)度，數(shù)據(jù)結(jié)果顯示剪切力數(shù)據(jù)均滿(mǎn)足GJB548B-2005方法2019.2芯片剪切強(qiáng)度要求。測(cè)試數(shù)據(jù)如圖4a和圖4b所示。

圖4b FW79M08剪切力強(qiáng)度

通過(guò)對(duì)圖4a和4b的數(shù)據(jù)分析可以看出，CPK指數(shù)剛好在1.33～1.67之間，說(shuō)明該工藝狀態(tài)穩(wěn)定，但從圖4a中可以看出剪切強(qiáng)度分別有5214g和12316g這么大的差距，除了每個(gè)產(chǎn)品燒結(jié)都有一定的差異外，導(dǎo)致剪切強(qiáng)度這個(gè)差距主要原因是剪切設(shè)備的劈刀距離樣品基座內(nèi)腔高度有一定的區(qū)別，左圖基本是從芯片底部開(kāi)始推，而右圖是從芯片1/3的位置開(kāi)始推，導(dǎo)致力達(dá)到5214g時(shí)就把芯片表面推壞，如圖4c所示。

圖4c 左圖剪切力強(qiáng)度為12316g，右圖剪切強(qiáng)度5214g

圖4a FW7805剪切力強(qiáng)度

3.4 可焊性試驗(yàn)

為驗(yàn)證金錫焊料是否會(huì)在焊接過(guò)程中被二次熔化，取20套材料（FW7805芯片40只、SMD-0.5外殼40套、金錫焊料20片、銀錫焊料20片）按照已定工藝曲線進(jìn)行燒結(jié)后，將燒結(jié)后的40只樣品按照GJB548-2005方法2022.2可焊性（浸潤(rùn)法）進(jìn)行試驗(yàn)。對(duì)試驗(yàn)后的樣品進(jìn)行開(kāi)帽觀察，使用銀錫焊料燒結(jié)的20只樣品中，1只樣品焊料出現(xiàn)二次熔化現(xiàn)象，而使用金錫焊料焊接的20只樣品均未出現(xiàn)焊料二次熔化的現(xiàn)象，如圖5所示。對(duì)使用金錫焊料燒結(jié)的20只樣品進(jìn)行剪切力測(cè)試，數(shù)據(jù)結(jié)果顯示剪切力數(shù)據(jù)均滿(mǎn)足GJB548B-2005方法2019.2芯片剪切強(qiáng)度要求。測(cè)試結(jié)果如表4所示。

圖5 左圖為銀錫焊料燒結(jié)，右圖為金錫焊料燒結(jié)

表4 FW7805剪切力強(qiáng)度

通過(guò)研究，發(fā)現(xiàn)真空設(shè)備、夾具的設(shè)計(jì)、工藝參數(shù)以及焊料的尺寸等都對(duì)焊接質(zhì)量有著較大的影響，在進(jìn)行了大量真空爐里金錫燒結(jié)工藝摸底試驗(yàn)后，通過(guò)對(duì)夾具的改進(jìn)及工藝參數(shù)的優(yōu)化，可焊性試驗(yàn)，證明在SMD-0.5型封裝中，使用金錫焊料燒結(jié)的產(chǎn)品比銀錫焊料焊接的產(chǎn)品其焊料更加穩(wěn)定，不易出現(xiàn)二次熔化的現(xiàn)象。所以，在SMD-0.5型封裝中使用金錫焊料燒結(jié)的產(chǎn)品更加穩(wěn)定可靠。