通过表面处理实现高可靠性无铅焊点

2022-05-13

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通过表面处理实现高可靠性无铅焊点

福英达——研发中心——罗树全

摘要

随着半导体技术的不断更新发展，电子封装的小型化、高速化、高可靠性要求的提高，对电子封装过程中的精细化工艺提出了更高的要求，从而使达到封装的要求。这里我们说到的电子封装基材表面处理是说对不同焊接基板进行物理或化学处理的方法，从而达到焊接焊点的可靠性。

化学镀是不使用加电流的方式，仅靠镀液中的还原剂进行氧化还原反应，在金属表面的催化作用下使金属离子不断沉积于金属表面的过程。由于化学镀必须在具有自催化性的材料表面专题进行，因而化学镀又称“自催化镀”。常见的化学镀有镀镍、镀金、镀铜、镀钴等。经过不同的化学镀层，使其焊接基板上形成一层保护镀层，在焊接过程中起到正面的作用，从而实现高可靠性焊点的连接，在电子封装领域得到广泛的应用。

一、关于浸锡的问题

1.1镀锡过程需要更长的时间

   镀锡就是把需要焊接基板，放进金属盐溶液中，在化学置换原理下使其焊接基板沉积出金属层，以此到达所需的焊接效果。

   浸锡过程中由于工艺复杂一般需要时间10~15分钟；而使用OSP工艺的话就大大缩减，一般需要1分钟；浸银工艺过程时间也比较短，一般需要0.5~3分钟。

1.2铜在镀锡过程中的积累，镀锡层厚度和成本的分析

   在浸锡过程中，使用硫脲化学试剂使Sn²⁺被Cu²⁺取代，每个锡原子的沉淀就会有两个Cu²⁺形成，因此锡将取代铜。而在浸银过程中，每个锡原子的沉淀就会有半个Cu²⁺形成。在浸锡和浸银的过程中都避免不了有铜的积累。

在镀锡过程中，为了使焊后接焊点可靠性更加稳定，我们通常将镀锡的厚度控制在1~1.2微米左右，是镀银厚度的5~6倍。

在成本方面，浸锡工艺的成本是0.5美元/平方米；而OSP工艺的成本要大大的降低是0.15美元/平方米；浸银工艺则是0.15~0.25美元/平方米。

二、关于镍沉金的问题

2.1镍沉金的优点和造成黑盘的原因

镍沉金工艺就是在铜的焊接基板上经过化学反应置换出钯，再在钯核上化学镀上一层镍磷合金层，然后通过置换反应在镍上镀一层金。镍沉金表面处理具有平整度高、接触电阻低、耐磨性、耐热性好及贮存时间长等优点，且其兼具可焊接、可触通、可打线与可散热四种功能于一身，一向广泛应用于各种密集组装板类，具有其它表面处理所无法取代的地位。金属离子沉淀不需要经过电气连接，能耗上比电镀更有优势。

在浸金工艺过程中如果我们处理不当，就会造成基板腐蚀，使其浸金的过程造成了黑盘现象，下面图像可以看出腐蚀进一步改变了表面的结构^[1]，

2.2在镍层中加入磷可以提高焊盘的耐腐蚀性，对焊点可靠性增加

   经过大量数据和实验证明在镍盘中加入磷会增加焊盘的耐腐性，使得焊点可靠性得以加强。下图是加入不同含量磷的镍盘在通二氧化硫气体下的腐蚀程度^[2]

从上图可以得出，在镍层中加入9%及以上的磷含量焊盘的耐腐蚀性效果最佳

三、关于浸银的问题

3.1在IMC(0.25mil)的横截面高低都存在很多微小的空洞

   我们在焊接过程中效果不佳时，使得焊点的IMC层的可靠性出现问题，产生许多空洞，如图所示^[3]，

我们在焊接时基板的铜会受到不同程度的腐蚀，从而产生铜坑，在焊点里面产生空洞现象，如下图所示^[4]

四、总结

焊接基材的表面处理最基本的目的是保证良好的可焊性或电性能，使其在焊接过程中形成的焊点可靠性加强。我们焊接所用的基材大部分是铜成分，由于自然界的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。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。强助焊剂因其不易去除，所以很少采用。采用浸锡，浸银，化镍金等表面处理工艺，能够有效的保证良好的可焊性，电性能以及焊点可靠性，在半导体封装领域得到广泛的应用。

福英达专注于微电子与半导体封装焊料领域20余年，福英达工业科技有限公司是一家全球领先的微电子与半导体封装材料方案提供商，国家高新技术企业，深耕于微电子与半导体封装材料行业，从合金焊粉到应用产品线完整，是目前全球唯一可制造T2-T10全尺寸超微合金焊粉的电子级封装材料制造商。福英达公司锡膏、锡胶及合金焊粉等产品广泛应用于微电子与半导体封装的各个领域。得到全球SMT电子化学品制造商、微光电制造商和半导体封装测试商的普遍认可。但微电子与半导体封装材料问题广泛，在此我们仅就常见问题展开了叙述。因工艺过程不同，其过程中所涉及到的问题也可能不尽相同。欢迎您就具体问题与我们的专业人员进行沟通讨论。我们希望同合作伙伴共同与时俱进，共同探究新问题、新技术以及复杂工艺，努力为合作伙伴提供专业、周到的微电子与半导体封装焊接材料服务。

参考文献

[1]Zequn Mei, Samuel K. Liem, and Allan Shih, “A Failure Analysis and Rework Method of Electronic Assembly on Electroless Ni / Immersion Au SurfaceFinish”, SMTA, Chicago, IL, 1999.

[2]Masahiro Nozu, Akira Kuzuhara, Atsuko Hayashi, Hiroshi Otake, Shigeo Hashimoto, and Donald Gudeczauskas (C.Uyemura & Co.,Ltd.), “High Phosphorous Electroless Nickel Process for Mobile Phone PWBs”, Apex, S10-1-1, Anaheim, CA, Feb, 2004

[3]Muffadal Mukadam, Norman Armendariz*, Raiyo Aspandiar, Mike Witkowski, Victor Alvarez, Andrew Tong, Betty Phillips, and Gary Long (Intel Corporation), " PLANAR MICROVOIDING IN LEAD-FREE SECOND-LEVEL INTERCONNECT SOLDER JOINTS", SMTAI, September, 2006, Chicago, IL

[4]Muffadal Mukadam, Norman Armendariz*, Raiyo Aspandiar, Mike Witkowski, Victor Alvarez, Andrew Tong, Betty Phillips, and Gary

Long (Intel Corporation), " PLANAR MICROVOIDING IN LEAD-FREE SECOND-LEVEL INTERCONNECT SOLDER JOINTS",

SMTAI, September, 2006, Chicago, IL

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