微电子与半导体封装中焊盘表面处理方式-深圳市福英达
微电子与半导体封装中焊盘表面处理方式
在微电子与半导体封装中，焊盘表面处理最基本的目的是保证焊盘良好的可焊性和导电性能。由于铜在空气中倾向于以氧化物的形式存在，不大可能长期保持为原铜，因此需要对铜进行其他处理。虽然在后续的组装中，可以采用强助焊剂除去大多数铜的氧化物，但强助焊剂本身不易去除，因此业界一般不采用强助焊剂。常见的PCB表面处理工艺有OSP、HASL、IAg、ISn、化学镍金、化学镍钯金、化学薄镍钯金、电镀镍金和电镀金这几种，下面将逐一介绍。
OSP
OSP 是在 PCB 焊盘铜箔上覆盖一层有机保焊膜, 焊接时有机保焊膜熔解 / 裂解消失, 焊锡与焊盘铜箔反应生成锡铜间金属化合物——扇贝状的 Cu6Sn5 和纳米级厚度的 Cu3Sn 。
有铅喷锡板是在 PCB 铜箔表面浸涂一层 6337 的锡铅共晶合金. 其中铅不参与 IMC 的形成, 锡与焊盘铜反应生成扇贝状的 Cu6Sn5; 和纳米级厚度的 Cu3Sn, 焊接过程中补充的焊料与喷锡层共同保持锡与铜反应, 形成锡铜间金属化合物: 无铅喷锡板是 PCB 焊盘铜箔上浸涂锡铜焊料，锡与焊盘铜箔反应形成扇贝状的Cu6Sn5;和纳米级厚度的 Cu3Sn，焊料中的微量铜熔解在焊锡中，原则上不参与IMC 的形成。
IAg
化学沉银板是在 PCB 焊盘铜箔上化学置换反应覆盖一层银, 焊接过程中银快速熔解进入液态焊锡內, 焊料中的锡与焊盘铜箔反应生成扇贝状的Cu6Sn5 和纳米级厚度的 Cu3sn, 银层并不参与 IC 的生成。
ISn
化学沉锡板是在 PCB 焊盘铜箔上通过化学置换反应覆盖一层纯锡, 纯锡层与 PCB 铜箔形成锡铜间金属化合物——扇贝状的 Cu6Sn5; 和纳米级厚度的 Cu3Sn，焊接过程中液态焊料中锡持续补充以供 IMC 的有效生成。
化学镍金
化学镍金板 (又称化镍浸金板 ) 是在 PCB 铜箔上使用化学还原反应形成一层3~5 μm厚的镍, 再使用化学置換反应方式形成一层50~150 nm 的金 (近年一些厂家将金层厚度降低到25~ 100 nm ), 焊接过程中纳米级厚度的金层快速熔解扩散进入液态焊锡内，露出镍层与焊锡生成小草状的 Ni3Sn4,或 Ni3Sn2。
化学镍钯金
化学镍钯金是在 PCB 铜箔上先沉一层3~5 μm 的镍层, 镍上做一层30~70 nm 的钯, 钯上再做一层 30~50 nm 的金。焊接过程中, 金层与钯层均会快速熔解进入液态焊锡內, 露出底层镍与焊锡形成小草状的锡镍金属间化合物 Ni3Sn4或Ni3Sn2。
化学薄镍钯金
化学薄镍钯金是在 PCB 铜箔上制作的镍层 (30 ~60 nm )、钯层 (30~50 mmnm)、金层 (20~50 nm), 均较薄, 焊接制程中金层、钯层及薄的镍层均会被液态焊锡熔解消耗, 露出底部的铜箔与液态焊锡反应, 生成锡铜间 IMC ( 扇贝状的 (Cu,Ni)6Sn5 和纳米级厚度的 Cu3Sn)。
电镀镍金
电镀镍金是使用电镀工艺在 PCB 铜箔上覆盖一层厚镍与厚金, 厚的金层焊接时熔解进入液态焊锡可能生成脆性的 Ausn4, 影响焊点的可靠性, 因此, 业界一般不使用电镀镍金作为焊接面。如果一定要使用电镀厚镍金作为焊接面, 一般要求焊接前做除金搪锡处理。金层熔解进入液态焊锡, 底部镍层与液态焊锡接触生成小草状的Ni3Sn4或Ni3Sn2。
电镀金
电镀金是在 PCB 铜箔上直接电镀金, 因铜与金互熔, 电镀金层必须具备一定厚度才能确保金层不被底铜熔解消耗而影响性能. 一般铜箔直接电镀金不用作焊接界面。
表1. 锡铜界面不同合金参数
由以上分析可知, 实际焊接过程中, 焊点界面合金层 (IMC层) 只有两种主要状态: 锡铜间金属化合物、锡镍间金属化合物。焊点由三部分组成: 焊锡、界面合金层(IMC 层)、PCB 铜箔。这三者中铜的机械强度及焊锡的机械强度均大于界面合金层，原因是界面合金层“脆”。冶金学内并无评估此材料“脆”性的指标，故使用材料的可塑性及抗断裂韧性来衡量。材料的可塑性是指材料在弹性范围内的变形能力，一般与杨氏模量E与硬度H的比值成正比；抗断裂韧性是指材料受力时抵抗裂纹扩展的能力，其值越低，说明材料受力时越易发生开裂。以锡铜界面合金为例，如表 1所示，焊锡 E/H值及铜箔本身 E/H值均远大于IMC 层次比值;抗断烈韧性指标显示，焊锡及铜箔数值是IMC 层数值的数倍之多。这是焊点受到机械应力或热应力作用时开裂面总是出现在IMC 层的缘由所在。所以焊点机械强度并不取决于焊锡的种类，多数情况下是由IMC 层结构及IMC 层形貌、厚度所决定的。并非合金成分的选择不重要，而是因为合金成分不同、焊点的 CTE 不同、焊点的延展性不同，所产生的IMC形貌厚度不同，焊点在承受剪切力及拉伸力时呈现出的效果不同。譬如有铅共晶焊料，IMC 形成是锡铜间反应的结果，但随着IMC 生长老化，晶粒变得粗大，铅作为填料可以填充晶粒生长留下的空隙，这在一定程度上延缓了焊点的老化失效。无铅焊料SAC系列无此过程，故无铅焊料的可靠性较传统的有铅焊点低，但纯粹的焊料成分机械强度差异导致的焊点失效的概率极低。但前文所述的各种合金特性仍是合金成分选择时需考量的因素之一。
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