引言

共晶燒結(jié)貼片技術(shù)在微電子封裝領(lǐng)域具有重要地位，特別是在軍用陶瓷或金屬封裝中的應(yīng)用尤為廣泛。然而，這一技術(shù)在實際應(yīng)用中面臨著一個關(guān)鍵問題：Sn基焊料極易氧化形成Sn2O、SnO2等氧化物，這些氧化物在共晶過程中會不斷堆積在焊料表面，形成焊料表面懸浮顆粒，進(jìn)而引發(fā)PIND（Particle Impact Noise Detection）失效。本文基于氧化膜破裂理論，通過對當(dāng)前使用的共晶燒結(jié)氮氣保護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，旨在實現(xiàn)局部高純度氮氣保護(hù)環(huán)境，減少焊料表面懸浮氧化物顆粒，從而提高封裝的可靠性和成品率。

研究背景

在共晶燒結(jié)貼片過程中，焊料表面的氧化物顆粒是封裝體內(nèi)部可動自由粒子的主要來源之一。這些氧化物顆粒在電路使用過程中，可能因發(fā)射、震動而脫離焊料本體，隨機移動并碰撞損傷芯片表面或鍵合引線，導(dǎo)致電路短路、斷路等誤動作，具有極大的危害性和可靠性風(fēng)險。因此，控制焊料表面懸浮氧化物顆粒的堆積情況，減少PIND失效率，是提高封裝質(zhì)量的關(guān)鍵。

研究方法

當(dāng)前氮氣保護(hù)結(jié)構(gòu)的不足

目前，共晶燒結(jié)貼片過程中常用的氮氣保護(hù)結(jié)構(gòu)存在一些問題。例如，氮氣高速流過加熱臺表面時，由于伯努利效應(yīng)，加熱臺表面形成負(fù)壓，導(dǎo)致大量空氣中的氧氣從加熱臺側(cè)面及表面流過，形式上具備氮氣保護(hù)結(jié)構(gòu)，實際上并無氮氣保護(hù)效果。此外，現(xiàn)有的氮氣保護(hù)結(jié)構(gòu)在共晶燒結(jié)過程中，由于氮氣流動時附帶混雜空氣，使其純度不高，焊料容易發(fā)生二次氧化，導(dǎo)致焊料表面形貌不良。

改進(jìn)方案

為了克服現(xiàn)有氮氣保護(hù)結(jié)構(gòu)的不足，本文提出了三種改進(jìn)方案，并通過實驗驗證了其有效性。

方案一：四面包圍式氮氣保護(hù)結(jié)構(gòu)

該方案通過在側(cè)面吹拂氮氣，底面空隙處加裝氮氣氣刀來實現(xiàn)氮氣保護(hù)。然而，實驗結(jié)果表明，該方案仍然無法有效防止空氣中的氧氣進(jìn)入燒結(jié)臺面，焊料表面形貌仍然不佳。

方案二：正面加蓋式氮氣保護(hù)結(jié)構(gòu)

該方案通過在加熱臺正面加蓋來減少氧氣的進(jìn)入。然而，存在的問題是氮氣包圍結(jié)構(gòu)不易固定，整體平臺不穩(wěn)固。

方案三：小型半密閉腔體式氮氣保護(hù)結(jié)構(gòu)

該方案將加熱臺及其底座整體包圍，正面加蓋，僅露出需要共晶的加熱臺表面，形成半密封的結(jié)構(gòu)形式。氮氣僅從底面?zhèn)炔苛鬟M(jìn)，從上面加蓋的開口處流出。實驗結(jié)果表明，該方案能夠有效實現(xiàn)局部高純度氮氣保護(hù)環(huán)境，減少焊料表面懸浮氧化物顆粒。

實驗結(jié)果與分析

焊料表面形貌改善

通過對改進(jìn)前后的焊料表面形貌進(jìn)行掃描電鏡分析，結(jié)果表明，改進(jìn)后的焊料表面光亮圓潤，極少有懸浮氧化物顆粒堆積或粘附。相比之下，改進(jìn)前的焊料表面顏色暗淡，表面形貌粗糙，有大量懸浮氧化物顆粒。

PIND失效率和成本損失降低

大量統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，采用改進(jìn)后的氮氣保護(hù)結(jié)構(gòu)，有效降低了PIND失效率和成品篩選電路的成本損失。這主要得益于焊料表面懸浮氧化物顆粒的顯著減少，從而降低了可動顆粒導(dǎo)致的電路短路、斷路等誤動作的危害性和可靠性風(fēng)險。

潤濕性和可靠性提升

研究表明，氮氣保護(hù)能夠提升焊料的潤濕性和可靠性。在良好的氮氣保護(hù)環(huán)境下，焊料表面的氧化物層會破裂，熔融焊料從氧化層的裂縫處流出形成新的表面。這一過程不僅減少了焊料表面的懸浮氧化物顆粒，還提高了焊料的潤濕性和流散性，降低了焊料中的空洞和微缺陷數(shù)量，從而提高了封裝的可靠性。

討論

共晶燒結(jié)貼片過程中焊料表面的氧化物顆粒問題是影響封裝質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。通過改進(jìn)氮氣保護(hù)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)局部高純度氮氣保護(hù)環(huán)境，可以有效減少焊料表面懸浮氧化物顆粒的堆積情況，提高封裝的可靠性和成品率。

然而，需要注意的是，氮氣保護(hù)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)雖然能夠顯著降低PIND失效率和成本損失，但并不能完全消除焊料氧化的可能性。因此，在實際應(yīng)用中還需要結(jié)合其他措施來進(jìn)一步控制焊料氧化問題。例如，可以在共晶燒結(jié)過程中使用助焊劑以減少氧化物顆粒的形成；或者采用更先進(jìn)的封裝技術(shù)和材料來提高封裝的整體性能。

此外，本文提出的改進(jìn)方案雖然在實驗中取得了顯著效果，但在實際應(yīng)用中還需要考慮設(shè)備的成本、維護(hù)難度以及生產(chǎn)效率等因素。因此，在未來的研究中還需要進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)方案，以實現(xiàn)更經(jīng)濟(jì)、高效、可靠的氮氣保護(hù)效果。

結(jié)論

本文通過對共晶燒結(jié)貼片氮氣保護(hù)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)研究，成功實現(xiàn)了局部高純度氮氣保護(hù)環(huán)境，有效減少了焊料表面懸浮氧化物顆粒的堆積情況，提高了封裝的可靠性和成品率。實驗結(jié)果表明，改進(jìn)后的氮氣保護(hù)結(jié)構(gòu)能夠顯著降低PIND失效率和成本損失，提升焊料的潤濕性和可靠性。未來研究將進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)方案，以實現(xiàn)更經(jīng)濟(jì)、高效、可靠的氮氣保護(hù)效果。