激光焊接與回流焊接對焊點影響的對比分析——綠志島

隨著“后摩爾時代”的來臨，小芯片異構集成將成為半導體封裝的主流趨勢。為實現靈活的模塊化集成和片上系統集成，小芯片往往需要在3D方向上進行封裝。然而，3D封裝技術也帶來了一些挑戰，如大功率電子元件散熱問題和對不同熱敏部件的互連要求。在這種情況下，激光焊接作為一種局部非接觸加熱的焊接工藝，逐漸成為了一種替代傳統回流焊接的方法。

實驗設計與結果

為了研究激光焊接和回流焊接對焊點界面IMC（金屬間化合物）生長的影響，工程師采用直徑為100μm的SAC305焊料球，在含有Ni-P UBM（鎳磷合金底層）的硅基中介層上進行焊接。實驗中，激光焊接的能量設定為7.5mJ，回流焊的峰值溫度設為250℃。

實驗結果顯示，不同焊接工藝下得到的SAC305微凸點的界面IMC及焊料基體的厚度和形貌存在顯著差異。激光焊接后的界面IMC呈顆粒狀，厚度約為0.6μm；而回流焊后的IMC則呈針狀，厚度達到1.3μm。此外，激光焊接后的微凸點基體中存在小粒狀的(Cu, Ni)6Sn5顆粒，回流焊后的微凸點基體中則觀察到相對較大的IMCs顆粒。同時，Ni-P UBM在回流焊過程中被大量消耗，而在激光焊接過程中的消耗較少。

在150°C等溫老化條件下，無論是激光焊接還是回流焊接，IMC的厚度都隨老化時間的增加而增加。經過一定時間的老化，激光焊接微凸點中的(Cu, Ni)6Sn5顆粒由小顆粒狀轉變為扇貝狀，回流焊微凸點中的IMC則由針狀逐漸生長為短棒狀。盡管激光焊接的(Cu, Ni)6Sn5顆粒體積較小，但由于其晶界較大，原子擴散更容易導致晶粒生長速度明顯加快。然而，激光焊接后的IMC厚度仍然明顯薄于回流焊接后的IMC。

剪切強度分析

剛焊接完成時，激光焊接微凸點的剪切強度略高于回流焊接微凸點。工程師認為這是由于激光焊接過程中析出的微小顆粒較多，有助于抑制裂紋擴展。然而，當老化時間達到100小時時，兩種焊接工藝下的微凸點剪切強度均出現明顯下降。隨著老化時間的進一步增加，剪切強度的變化趨于平緩。此外，對于多次回流過程而言，激光焊接能夠使微凸點保持更高的剪切強度。隨著回流次數的增加，激光焊接和回流焊微凸點的剪切強度均略有下降。

綜上所述，激光焊接和回流焊接在焊點界面IMC生長和剪切強度方面存在明顯差異。激光焊接具有局部非接觸加熱、溫度變化快等優點，能夠在一定程度上提高焊點的使用可靠性。然而，在實際應用中，還需根據具體需求和條件來選擇合適的焊接工藝。