超聲波輔助鍵合在Si/Cu焊點的應用-深圳市福英達
超聲波輔助鍵合在Si/Cu焊點的應用-深圳市福英達
單晶矽是在現代微電子領域中常見的低熱膨脹係數的晶體(ti) 材料，在功率器件和3D封裝等先進封裝領域廣泛應用。但是隨著封裝密度的增加，封裝器件的發熱量也是大幅上升，這會(hui) 明顯影響矽的可靠性。因此有一些業(ye) 內(nei) 人士嚐試將Si基板與(yu) 高導熱的Cu進行焊接鍵合起來從(cong) 而改善散熱性能。但是普通合金焊料難以在矽表麵潤濕，這需要一種新的焊接思路。
1. 超聲波焊接
超聲波焊接能在液體(ti) 焊料中進行空化作用，氣泡在熔融焊料中成核並生長，最終在固液界麵附近塌陷。超聲波所產(chan) 生的高溫和高壓可以破壞氧化物並促進焊料和基底材料之間的潤濕，因而不需要用到助焊劑。為(wei) 了深入了解超聲波在焊接的作用，Li等人使用Sn3.5Ag4Al焊料將Si金屬化，並用超聲波實現Si和Cu的連接。
圖1. 超聲波焊接實驗步驟。
2. 實驗結果
2.1 微觀結構
從(cong) 圖二可以看到，兩(liang) 種超聲波震動時間都能使Si和Sn3.5Ag4Al焊料形成界麵鍵合，但是超聲波20s後，焊料/Si的界麵處平整，沒有明顯反應層。而超聲波處理時間增加到50s後，界麵開始產(chan) 生反應。據觀察，在焊料/Si界麵處出現了Al和O的富集，表明形成了無定形Al2O3化合物。Li等人還在沒有超聲波輔助下將焊料塗覆到Si襯底上，結果是Si和焊料無法形成鍵合。
圖2. 不同超聲波震動時間的焊料/Si界麵的微觀結構。(a-c)：20s, (d-f)：50s。
當超聲處理時間為(wei) 2s時，Cu/焊料界麵相對平坦，在界麵處形成了CuAl2，這歸因於(yu) Cu和Al之間的優(you) 先反應。但是焊料和Cu的溶解度不足，CuAl2分布並不連續。隨著超聲時間增加，CuAl2在界麵處的分布逐漸增加且變得更加連續。當超聲時間為(wei) 12s。焊料/Cu界麵出現了溶解坑，這表明Cu焊盤被超聲劇烈侵蝕。值得注意的是，由於(yu) 超聲波效應，CuAl2對焊點強度沒有顯著影響。
圖3. 不同超聲波震動時間的焊料/Cu界麵微觀結構。(a)2s, (b)6s, (c)12s。
2.2 機械強度
隨著超聲震動時間增加，Si/Cu焊點的機械強度呈現一個(ge) 先上升後下降的趨勢。如果超聲時間過短，焊料和Cu之間的有效結合麵積小。當超聲時間為(wei) 6s，焊點處的CuAl2晶體(ti) 較細，從(cong) 而對焊點起到增強作用。更長的超聲時間會(hui) 使Cu6Sn5開始生長，並在Cu6Sn5表麵上出現空洞，從(cong) 而削弱了焊點強度。
圖4. 不同超聲震動的Si/Cu焊點剪切強度。
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4. 參考文獻
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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