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        激光焊接与回流焊接对焊点影响的对比分析——绿志岛

        作者:绿志岛 2024-04-11 0

        随着“后摩尔时代”的来临,小芯片异构集成将成为半导体封装的主流趋势。为实现灵活的模块化集成和片上系统集成,小芯片往往需要在3D方向上进行封装。然而,3D封装技术也带来了一些挑战,如大功率电子元件散热问题和对不同热敏部件的互连要求。在这种情况下,激光焊接作为一种局部非接触加热的焊接工艺,逐渐成为了一种替代传统回流焊接的方法。


        实验设计与结果

        为了研究激光焊接和回流焊接对焊点界面IMC(金属间化合物)生长的影响,工程师采用直径为100μm的SAC305焊料球,在含有Ni-P UBM(镍磷合金底层)的硅基中介层上进行焊接。实验中,激光焊接的能量设定为7.5mJ,回流焊的峰值温度设为250℃。

        实验结果显示,不同焊接工艺下得到的SAC305微凸点的界面IMC及焊料基体的厚度和形貌存在显著差异。激光焊接后的界面IMC呈颗粒状,厚度约为0.6μm;而回流焊后的IMC则呈针状,厚度达到1.3μm。此外,激光焊接后的微凸点基体中存在小粒状的(Cu, Ni)6Sn5颗粒,回流焊后的微凸点基体中则观察到相对较大的IMCs颗粒。同时,Ni-P UBM在回流焊过程中被大量消耗,而在激光焊接过程中的消耗较少。

        在150°C等温老化条件下,无论是激光焊接还是回流焊接,IMC的厚度都随老化时间的增加而增加。经过一定时间的老化,激光焊接微凸点中的(Cu, Ni)6Sn5颗粒由小颗粒状转变为扇贝状,回流焊微凸点中的IMC则由针状逐渐生长为短棒状。尽管激光焊接的(Cu, Ni)6Sn5颗粒体积较小,但由于其晶界较大,原子扩散更容易导致晶粒生长速度明显加快。然而,激光焊接后的IMC厚度仍然明显薄于回流焊接后的IMC。


        剪切强度分析

        刚焊接完成时,激光焊接微凸点的剪切强度略高于回流焊接微凸点。工程师认为这是由于激光焊接过程中析出的微小颗粒较多,有助于抑制裂纹扩展。然而,当老化时间达到100小时时,两种焊接工艺下的微凸点剪切强度均出现明显下降。随着老化时间的进一步增加,剪切强度的变化趋于平缓。此外,对于多次回流过程而言,激光焊接能够使微凸点保持更高的剪切强度。随着回流次数的增加,激光焊接和回流焊微凸点的剪切强度均略有下降。

        综上所述,激光焊接和回流焊接在焊点界面IMC生长和剪切强度方面存在明显差异。激光焊接具有局部非接触加热、温度变化快等优点,能够在一定程度上提高焊点的使用可靠性。然而,在实际应用中,还需根据具体需求和条件来选择合适的焊接工艺。

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