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
單晶硅是在現代微電子領域中常見的低熱膨脹系數的晶體材料，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，這會明顯影響硅的可靠性。因此有一些業內人士嘗試將Si基板與高導熱的Cu進行焊接鍵合起來從而改善散熱性能。但是普通合金焊料難以在硅表面潤濕，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焊料中進行空化作用，氣泡在熔融焊料中成核并生長，最終在固液界面附近塌陷。超聲波所產生的高溫和高壓可以破壞氧化物并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，并用超聲波實現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
從圖二可以看到，兩種超聲波震動時間都能使Si和Sn3.5Ag4Al焊料形成界面鍵合，但是超聲波20s后，焊料/Si的界面處平整，沒有明顯反應層。而超聲波處理時間增加到50s后，界面開始產生反應。據觀察，在焊料/Si界面處出現了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涂覆到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界面的微觀結構。(a-c)：20s, (d-f)：50s。
當超聲處理時間為2s時，Cu/焊料界面相對平坦，在界面處形成了CuAl2，這歸因于Cu和Al之間的優先反應。但是焊料和Cu的溶解度不足，CuAl2分布并不連續。隨著超聲時間增加，CuAl2在界面處的分布逐漸增加且變得更加連續。當超聲時間為12s。焊料/Cu界面出現了溶解坑，這表明Cu焊盤被超聲劇烈侵蝕。值得注意的是，由于超聲波效應，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界面微觀結構。(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先上升后下降的趨勢。如果超聲時間過短，焊料和Cu之間的有效結合面積小。當超聲時間為6s，焊點處的CuAl2晶體較細，從而對焊點起到增強作用。更長的超聲時間會使Cu6Sn5開始生長，并在Cu6Sn5表面上出現空洞，從而削弱了焊點強度。
圖4. 不同超聲震動的Si/Cu焊點剪切強度。
3. 福英達錫膏
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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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