超細(xì)焊粉錫膏的制備工藝與微焊點(diǎn)互連質(zhì)量控制
來源:優(yōu)特爾錫膏 瀏覽: 發(fā)布時間:2025-07-21
超細(xì)焊粉錫膏(通常指焊粉粒徑≤10μm,甚至亞微米級)是微電子封裝(如3D堆疊、Chiplet、微機(jī)電系統(tǒng)MEMS)中實(shí)現(xiàn)微焊點(diǎn)(焊點(diǎn)尺寸≤50μm)互連的核心材料。
制備工藝需兼顧超細(xì)焊粉的分散性、抗氧化性及錫膏的流變性能,而微焊點(diǎn)互連質(zhì)量則直接影響電子器件的可靠性。
制備工藝和質(zhì)量控制兩方面詳細(xì)分析:
超細(xì)焊粉錫膏的制備工藝;
超細(xì)焊粉錫膏的制備需經(jīng)歷“超細(xì)焊粉合成→助焊劑配制→焊粉與助焊劑混合分散”三個核心環(huán)節(jié),每個環(huán)節(jié)均需嚴(yán)格控制以適配微焊點(diǎn)需求。
1. 超細(xì)焊粉的制備工藝
超細(xì)焊粉(如Sn-Ag-Cu、Sn-Bi、Sn-In等合金)的關(guān)鍵指標(biāo)為:粒徑分布(D50≤5μm,且Span值≤1.0,即粒徑均勻)、低氧含量(≤500ppm)、無團(tuán)聚、合金成分均勻。
常用制備方法包括:
超聲霧化法:
將熔融的錫合金液通過高頻超聲振動(10-50kHz)破碎為微小液滴,在惰性氣體(N?或Ar)保護(hù)下快速冷卻凝固。
優(yōu)勢是粒徑可通過超聲功率(功率越高,粒徑越細(xì))和合金液流速控制,易獲得1-10μm的球形焊粉;需控制霧化壓力和冷卻速率,避免液滴氧化或形狀不規(guī)則(如衛(wèi)星球)。
化學(xué)還原法:
在惰性氛圍下,將錫鹽(如SnCl?)與合金元素鹽(如AgNO?、CuSO?)溶于溶劑,加入還原劑(如肼、硼氫化鈉),控制反應(yīng)溫度、pH值和攪拌速率,生成納米至亞微米級焊粉顆粒。
優(yōu)勢是粒徑更細(xì)(可至1μm以下),但需通過表面修飾(如包覆有機(jī)層)防止團(tuán)聚和氧化,且需嚴(yán)格去除雜質(zhì)(如氯離子)。
等離子體霧化法:
利用等離子體焰(溫度高達(dá)10?K)將合金原料瞬間熔化并霧化,在惰性氣體中快速冷凝。
適用于高熔點(diǎn)合金焊粉(如含Sb、Zn的合金),可獲得高球形度、低氧含量的超細(xì)焊粉,但設(shè)備成本較高。
2. 助焊劑的定制化配制
超細(xì)焊粉比表面積大(如5μm焊粉的比表面積是20μm焊粉的4倍以上),對助焊劑的潤濕性、分散性和觸變性要求苛刻,需定制配方:
基礎(chǔ)成分:
樹脂(如松香、改性酚醛樹脂):提供粘結(jié)力,防止焊粉沉降;
溶劑(如乙二醇乙醚、松油醇):調(diào)節(jié)粘度,需低揮發(fā)速率以匹配超細(xì)焊粉的燒結(jié)時間;
活化劑(如有機(jī)酸:己二酸、谷氨酸;無機(jī)酸:氫氟酸銨,需低腐蝕性):去除焊粉表面氧化膜(超細(xì)焊粉易氧化,氧化層厚度需≤5nm);
觸變劑(如氣相SiO?、有機(jī)膨潤土):賦予錫膏觸變性(印刷時受剪切力粘度降低,印刷后恢復(fù)高粘度,防止塌陷),超細(xì)焊粉需更高含量的觸變劑(通常5-8%,常規(guī)焊粉為2-3%)以抑制團(tuán)聚;
緩蝕劑(如苯并三唑、咪唑類):防止焊點(diǎn)和焊盤腐蝕,尤其對超細(xì)焊粉暴露的高活性表面。
性能要求:
助焊劑需低殘渣(避免微焊點(diǎn)短路)、高擴(kuò)散性(快速滲透至超細(xì)焊粉顆粒間隙)、與焊粉表面兼容性好(不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致焊粉失效)。
3. 焊粉與助焊劑的混合分散
混合過程需避免焊粉氧化、團(tuán)聚及過度剪切導(dǎo)致的顆粒破碎,關(guān)鍵工藝參數(shù):
混合設(shè)備:采用真空行星攪拌機(jī)或雙螺桿混合機(jī),在惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行,真空度控制在≤-0.09MPa,避免卷入空氣導(dǎo)致氧化;
混合參數(shù):先低速預(yù)混(50-100rpm)使焊粉與助焊劑初步結(jié)合,再高速分散(300-500rpm)10-30min,控制剪切力(避免超過1000Pa),確保焊粉均勻分散,無團(tuán)聚體(團(tuán)聚體尺寸需≤3μm,否則印刷時易堵塞模板開孔);
粘度調(diào)控:通過溶劑含量調(diào)節(jié)錫膏粘度(通??刂圃?00-500Pa·s,取決于印刷方式:網(wǎng)印需150-300Pa·s,噴射印刷需80-150Pa·s),同時保證觸變指數(shù)(TI=η10rpm/η100rpm)在2.5-4.0,確保印刷成型性。
微焊點(diǎn)互連質(zhì)量控制;
微焊點(diǎn)(尺寸≤50μm)的互連質(zhì)量直接影響電子器件的可靠性(如熱循環(huán)壽命、機(jī)械強(qiáng)度),需從印刷、回流、界面反應(yīng)三方面控制:
1. 焊膏印刷質(zhì)量控制
微焊點(diǎn)的焊盤尺寸?。ㄈ?0-50μm),印刷是質(zhì)量控制的第一道關(guān):
模板設(shè)計:模板厚度(50-100μm)與開孔尺寸(寬/長=0.8-1.0,避免細(xì)長假焊盤)需匹配焊粉粒徑(開孔直徑≥5倍焊粉D50,防止堵塞);采用電鑄模板(孔壁光滑度Ra≤0.1μm),減少焊膏殘留;
印刷參數(shù):刮刀壓力(5-15N/cm)、速度(10-30mm/s)需精準(zhǔn)控制,確保焊膏填充飽滿且無橋連;對于超細(xì)焊粉錫膏,可采用“預(yù)刮+主刮”雙步印刷,減少孔內(nèi)氣泡;
檢測:采用3D光學(xué)檢測(SPI),控制焊膏體積偏差(±10%)、高度均勻性(標(biāo)準(zhǔn)差≤5%),剔除缺錫、多錫或橋連的焊盤。
2. 回流焊工藝優(yōu)化
超細(xì)焊粉的燒結(jié)活性高(表面能大),但氧化風(fēng)險也高,需優(yōu)化回流曲線:
預(yù)熱階段(80-150℃):緩慢升溫(1-3℃/s),蒸發(fā)溶劑并激活助焊劑,避免溶劑暴沸導(dǎo)致氣孔;同時,活化劑(如有機(jī)酸)需在該階段充分滲透至焊粉氧化層,發(fā)生反應(yīng)(如RCOOH + SnO → RCOOSn + H?O);
回流階段(高于熔點(diǎn)20-50℃):控制峰值溫度(如Sn-3.0Ag-0.5Cu的峰值溫度240-250℃)和保溫時間(30-60s),確保焊粉完全熔合(超細(xì)焊粉熔合時間可縮短10-20%),但需避免高溫導(dǎo)致IMC過度生長;
冷卻階段:快速冷卻(5-10℃/s),抑制晶粒粗大,形成細(xì)晶組織,提高焊點(diǎn)強(qiáng)度;采用氮?dú)獗Wo(hù)(氧含量≤50ppm),減少焊粉二次氧化,降低空洞率(目標(biāo)≤3%)。
3. 界面反應(yīng)與微觀組織控制
微焊點(diǎn)的失效多源于界面金屬間化合物(IMC)異?;騼?nèi)部缺陷,需控制:
IMC層厚度:焊盤(如Cu)與焊料界面會形成Cu?Sn?(厚度1-3μm)和Cu?Sn(厚度≤0.5μm),IMC過厚(如>5μm)會導(dǎo)致焊點(diǎn)脆性增加。
通過控制回流時間(縮短高溫保溫)和添加微量合金元素(如Ni、Co),抑制Cu向焊料擴(kuò)散,細(xì)化IMC顆粒;
空洞與夾雜:超細(xì)焊粉的團(tuán)聚體若未完全分散,會在焊點(diǎn)內(nèi)部形成空洞;助焊劑殘渣若未充分揮發(fā),會形成夾雜。
需通過焊粉分散性優(yōu)化(如添加分散劑)和回流真空度提升(≤10Pa),降低缺陷率;
力學(xué)性能:微焊點(diǎn)的剪切強(qiáng)度需≥50MPa(針對Cu焊盤),采用微剪切測試(加載速率0.1-0.5mm/s)評估,確保斷裂位置在焊料內(nèi)部(而非IMC層或焊盤界面),表明界面結(jié)合良好。
4. 存儲與使用環(huán)境控制
超細(xì)焊粉錫膏易吸潮和氧化,需嚴(yán)格控制存儲條件:
存儲溫度:-10℃以下(避免焊粉氧化和助焊劑分層),保質(zhì)期≤6個月;
使用前:回溫至室溫(25±5℃)并靜置2-4h,避免水汽凝結(jié);開封后需在4h內(nèi)使用完畢,未用完的錫膏需單獨(dú)存放,禁止與新錫膏混合(防止污染和氧化)。
超細(xì)焊粉錫膏的制備核心是“超細(xì)焊粉的低氧分散+助焊劑的適配性+混合的均勻性”,而微焊點(diǎn)互連質(zhì)量控制需聚焦“印刷精度→回流反應(yīng)→界面組織”的全流程,最終實(shí)現(xiàn)低缺陷、高可靠性的微互連。
隨著電子器件向高
密度、微型化發(fā)展,超細(xì)焊粉錫膏的制備工藝將更依賴納米級顆??刂坪椭悄芑亓髟O(shè)備,以滿足5G、AI芯片的封裝需求。