隨著“后摩爾時代”的來臨,小芯片異構集成將成為半導體封裝的主流趨勢。為實現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方向上進行封裝。然而,3D封裝技術也帶來了一些挑戰(zhàn),如大功率電子元件散熱問題和對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。
實驗設計與結果
為了研究激光焊接和回流焊接對焊點界面IMC(金屬間化合物)生長的影響,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)的硅基中介層上進行焊接。實驗中,激光焊接的能量設定為7.5mJ,回流焊的峰值溫度設為250℃。
實驗結果顯示,不同焊接工藝下得到的SAC305微凸點的界面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,厚度達到1.3μm。此外,激光焊接后的微凸點基體中存在小粒狀的(Cu, Ni)6Sn5顆粒,回流焊后的微凸點基體中則觀察到相對較大的IMCs顆粒。同時,Ni-P UBM在回流焊過程中被大量消耗,而在激光焊接過程中的消耗較少。
在150°C等溫老化條件下,無論是激光焊接還是回流焊接,IMC的厚度都隨老化時間的增加而增加。經過一定時間的老化,激光焊接微凸點中的(Cu, Ni)6Sn5顆粒由小顆粒狀轉變?yōu)樯蓉悹?,回流焊微凸點中的IMC則由針狀逐漸生長為短棒狀。盡管激光焊接的(Cu, Ni)6Sn5顆粒體積較小,但由于其晶界較大,原子擴散更容易導致晶粒生長速度明顯加快。然而,激光焊接后的IMC厚度仍然明顯薄于回流焊接后的IMC。
剪切強度分析
剛焊接完成時,激光焊接微凸點的剪切強度略高于回流焊接微凸點。工程師認為這是由于激光焊接過程中析出的微小顆粒較多,有助于抑制裂紋擴展。然而,當老化時間達到100小時時,兩種焊接工藝下的微凸點剪切強度均出現明顯下降。隨著老化時間的進一步增加,剪切強度的變化趨于平緩。此外,對于多次回流過程而言,激光焊接能夠使微凸點保持更高的剪切強度。隨著回流次數的增加,激光焊接和回流焊微凸點的剪切強度均略有下降。
綜上所述,激光焊接和回流焊接在焊點界面IMC生長和剪切強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,能夠在一定程度上提高焊點的使用可靠性。然而,在實際應用中,還需根據具體需求和條件來選擇合適的焊接工藝。