超声波辅助键合在Si/Cu焊点的应用-深圳市福英达
超声波辅助键合在Si/Cu焊点的应用-深圳市福英达
单晶硅是在现代微电子领域中常见的低热膨胀系数的晶体材料，在功率器件和3D封装等先进封装领域广泛应用。但是随着封装密度的增加，封装器件的发热量也是大幅上升，这会明显影响硅的可靠性。因此有一些业内人士尝试将Si基板与高导热的Cu进行焊接键合起来从而改善散热性能。但是普通合金焊料难以在硅表面润湿，这需要一种新的焊接思路。
1. 超声波焊接
超声波焊接能在液体焊料中进行空化作用，气泡在熔融焊料中成核并生长，最终在固液界面附近塌陷。超声波所产生的高温和高压可以破坏氧化物并促进焊料和基底材料之间的润湿，因而不需要用到助焊剂。为了深入了解超声波在焊接的作用，Li等人使用Sn3.5Ag4Al焊料将Si金属化，并用超声波实现Si和Cu的连接。
图1. 超声波焊接实验步骤。
2. 实验结果
2.1 微观结构
从图二可以看到，两种超声波震动时间都能使Si和Sn3.5Ag4Al焊料形成界面键合，但是超声波20s后，焊料/Si的界面处平整，没有明显反应层。而超声波处理时间增加到50s后，界面开始产生反应。据观察，在焊料/Si界面处出现了Al和O的富集，表明形成了无定形Al2O3化合物。Li等人还在没有超声波辅助下将焊料涂覆到Si衬底上，结果是Si和焊料无法形成键合。
图2. 不同超声波震动时间的焊料/Si界面的微观结构。(a-c)：20s, (d-f)：50s。
当超声处理时间为2s时，Cu/焊料界面相对平坦，在界面处形成了CuAl2，这归因于Cu和Al之间的优先反应。但是焊料和Cu的溶解度不足，CuAl2分布并不连续。随着超声时间增加，CuAl2在界面处的分布逐渐增加且变得更加连续。当超声时间为12s。焊料/Cu界面出现了溶解坑，这表明Cu焊盘被超声剧烈侵蚀。值得注意的是，由于超声波效应，CuAl2对焊点强度没有显著影响。
图3. 不同超声波震动时间的焊料/Cu界面微观结构。(a)2s, (b)6s, (c)12s。
2.2 机械强度
随着超声震动时间增加，Si/Cu焊点的机械强度呈现一个先上升后下降的趋势。如果超声时间过短，焊料和Cu之间的有效结合面积小。当超声时间为6s，焊点处的CuAl2晶体较细，从而对焊点起到增强作用。更长的超声时间会使Cu6Sn5开始生长，并在Cu6Sn5表面上出现空洞，从而削弱了焊点强度。
图4. 不同超声震动的Si/Cu焊点剪切强度。
3. 福英达锡膏
深圳市福英达能为客户提供各种类型的无铅焊料，涵盖了低温，中温和高温锡膏产品，能够用于微电子领域的封装焊接。欢迎有焊料需求的客户与我们合作。
4. 参考文献
Li, W.Z., Ding, Z.J., Xue, H.T., Guo, W.B., Chen, C.X., Jia, Y. & Wan, Z. (2023). Interfacial bonding mechanisms in ultrasonic-assisted soldered Si/Cu joint using Sn-3.5Ag-4Al solder. Materials Characterization, vol.199.
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