電磁感應(yīng)加熱尺寸效應(yīng)及其BGA封裝互連新方法特征研究.pdf

1、球柵陣列釬料互連技術(shù)是微電子封裝與組裝的關(guān)鍵技術(shù)之一。無鉛進(jìn)程的立法使得無鉛釬料在電子產(chǎn)品中得以更廣泛的應(yīng)用。由于多數(shù)無鉛釬料需要更高的重熔溫度，因此通常采用的焊點(diǎn)整體加熱重熔工藝更容易引起器件和基板變形，從而降低互連焊點(diǎn)的可靠性。為了解決無鉛面陣封裝整體加熱引發(fā)的可靠性問題，本文引入了局部選擇性加熱的概念，利用這一概念開發(fā)高頻感應(yīng)加熱重熔微電子面陣封裝與組裝互連新方法，并分別從感應(yīng)加熱尺寸效應(yīng)、焊接工藝、熱特性，焊點(diǎn)形態(tài)控制以及界面反

2、應(yīng)等方面展開討論。本文研究結(jié)果對(duì)于促進(jìn)電子產(chǎn)品無鉛化、增強(qiáng)無鉛面陣封裝適用性以及提高面陣封裝器件可靠性等都具有重要意義。
　　本文探討了微小尺度下薄膜材料感應(yīng)加熱的尺寸效應(yīng)以用于指導(dǎo)微小尺寸電磁感應(yīng)加熱應(yīng)用的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，并據(jù)此選擇適用于電子封裝 BGA釬料焊點(diǎn)互連的頻率、磁感應(yīng)強(qiáng)度等參數(shù)，分別討論了該新方法在電子封裝體系中對(duì)金屬互連焊點(diǎn)的選擇加熱特性和對(duì)互連焊點(diǎn)中不同位置的局部選擇性加熱。對(duì)金屬互連焊點(diǎn)的選擇性加熱可以解決整體加熱

3、的可靠性問題，而利用對(duì)互連焊點(diǎn)內(nèi)部不同位置的局部選擇性加熱則可以用于控制微釬料互連點(diǎn)形態(tài)。此外，本文首次在Sn3.5Ag釬料與多晶Cu的液-固界面反應(yīng)中發(fā)現(xiàn)棱鏡狀Cu6Sn5，并分析了其形成機(jī)制、生長動(dòng)力學(xué)以及在后續(xù)固相老化過程中其演變規(guī)律。
　　采用經(jīng)典電磁學(xué)理論討論了不同感應(yīng)加熱條件下薄膜材料發(fā)熱的尺寸效應(yīng)，并利用有限元模擬和實(shí)驗(yàn)的方法驗(yàn)證。提出薄膜器件被感應(yīng)加熱時(shí)存在極限尺寸，只有薄膜尺寸大于極限尺寸時(shí)器件才會(huì)被明顯加熱。薄

4、膜表面積越大，厚度越厚，外加磁場(chǎng)頻率越高、場(chǎng)強(qiáng)越大，磁場(chǎng)與薄膜材料表面的法向方向夾角越小，感應(yīng)加熱的效果越明顯，極限尺寸越小。
　　根據(jù)感應(yīng)加熱尺寸效應(yīng)的結(jié)論選擇頻率為300kHz的交變電磁場(chǎng)用于BGA釬料焊點(diǎn)的重熔互連，實(shí)驗(yàn)獲得相應(yīng)的焊接工藝參數(shù)區(qū)間。利用紅外測(cè)溫分析了高頻感應(yīng)加熱重熔的快速加熱快速冷卻特性以及局部選擇性加熱特性。通過對(duì)采用同等參數(shù)加熱芯片以及后續(xù)的電性能測(cè)試證明了高頻感應(yīng)加熱重熔方法在微電子器件的封裝與組裝中應(yīng)

5、用的可行性。
　　通過選擇合適頻率的外加電磁場(chǎng)和設(shè)計(jì)合理的焊盤尺寸，利用感應(yīng)加熱重熔，在沒有外加支撐物等特殊結(jié)構(gòu)的輔助下，實(shí)現(xiàn)了對(duì)互連焊點(diǎn)形態(tài)控制，制備了沙漏形互連焊點(diǎn)。通過組織觀察、理論分析和有限元模擬得出釬料焊點(diǎn)的局部熔化現(xiàn)象是實(shí)現(xiàn)互連焊點(diǎn)形態(tài)控制的關(guān)鍵，并據(jù)此建立了合理的模型以解釋沙漏形互連焊點(diǎn)的形成過程。
　　通過與傳統(tǒng)熱風(fēng)重熔釬料凸臺(tái)對(duì)比，分析了高頻感應(yīng)加熱重熔釬料互連焊點(diǎn)的液-固界面反應(yīng)和固-固界面反應(yīng)的特性、生

6、成的界面金屬間化合物形貌以及其形成的機(jī)制和生長動(dòng)力學(xué)。分析指出，隨著反應(yīng)溫度的增加Jackson因子增大，Cu6Sn5層由扇貝形轉(zhuǎn)變成棱鏡形，因此焊盤界面外圍存在的棱鏡狀Cu6Sn5晶粒證明，高頻感應(yīng)加熱重熔時(shí)界面溫度分布為外圍溫度高中心溫度低。扇貝狀Cu6Sn5的生長主要由熟化通量控制，界面化合物的總量增長相對(duì)緩慢。棱鏡狀Cu6Sn5的生長主要由界面反應(yīng)通量控制，由于晶粒間的幾乎沒有熟化作用，故Cu原子的快速擴(kuò)散通道得以保存，界面金屬