焊锡及无铅焊锡技术

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用于软焊锡熔化配置(SSD)的高纯度焊锡
SPM供应高纯度的用于软焊锡熔化配置(SSD)的 焊锡如95Pb-2Sn-2.5Ag，其氧化物和夹杂的含量 极微, 可有效地延长熔化焊锡分发配置的时间达八 小时。
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焊锡联接的Pentium 翻转集成晶片（Flip-Chip）
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Intel集成晶片尺度的 带型自动联接（TAB）总成
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AT&T 多重集成晶片模板(MCM)-
系统总成-一个演进方向
Courtesy of AT&T
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最新进展
多重晶片垂直重叠，其既可以线联接或翻转 晶片联接或两种技术的混合联接。目前的重 叠水平可达三到五层。
唯有的三大总成原理：
技术 晶片粘贴 晶片联接
1. 2.
线联接 (85-90%) 环氧树脂 焊锡 金线 (90%) 铝线 铜线
翻转晶片 (FC) 不适用
1. 2.
带型自动联接 (TAB) 胶包
1. 2.
1. 2. 3.
焊锡焊接 热压或热和 超声波联接
热压或热和 超声波联接 焊锡焊接
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应用于微电子总成中的 焊锡及其无铅焊锡之科技
Zhenfeng Guo Ph.D. Lawrence C. Monterulo Cuong Van Pham Ph.D. Kenneth J. Huth
半导体总成材料公司(SPM)
Armonk, New York
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10-5 10-6 10-7 0.4 疲劳应变可达 20%
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
正化温度 (T/Tm)
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焊锡总成的印刷电路板 (PCB) 焊锡总成的
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典型的印刷电路板 (PCB)上的焊锡接点 典型的
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超越的电服役性能
线联接 电阻 (mOhm) 电感 (nH) 电容 (pF) 30 0.65 0.006 QFP 1 1 1
TAB 带型自动联接
翻转晶片(FC) 2 < 0.05 .001
翻转晶片(FC)
20 2.1 .04 线联接 0.3 0.24 0.48
最高的密度
面积比 重量比 厚度比
0.4 0.06 0.32
63Sn-37Pb 58Bi-42Sn 52In-48Sn
62Sn-36Pb-2Ag
50Pb-50In
温度敏感器件总成
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无铅焊锡发展的驱动力

立法: -欧盟将于2008年禁止在微电子制造总成中 用铅 -美国和日本正在考察 市场策略

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无铅焊锡发展的状况
24
时间 (分)
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压力试验的结果
高度降低 (%)
100 80 60 40 20 0
63Sn-37Pb焊锡接点
半固体焊锡接点 15 30
压力载荷 (克)
45
60
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在250-260oC半固体状态的拉力试验
温度 oC 300
200
Cu 焊锡接点 200µm 厚 6g 电加热平板炉 钢
60%体积分数的固体Sn与X的金属间化合物粒子而足以 支撑和固定晶片。此即谓半固体总成。
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集成晶片在约350oC总成
晶片 半固体焊锡 陶瓷底板
炉子加
Chip Semi-Solid Solder Ceramic Substrate
Chip Semi-Solid Solder Ceramic Substate
Sn
最佳
3% Bi 8% In
超越的服役性能
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在印刷电路板(PCB)总成中的 最广泛定向的无铅焊锡
熔点 (oC) 217 227 138
焊锡 94.7Sn-3.3Ag-2Cu 99.3Sn-0.7Cu 58Bi-42Sn
应用 表面联接焊接 波形焊锡焊接 低成本的微电子
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在过去的十年里，世界范围内已颁布多 达七十余部关于无铅焊锡的专利。 现在 人们已从科学上知道自然界终极所能提 供的。
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无铅焊锡系统
M. T.(oC) 300 275 250 225 200 175 150 0.5-2% Cu 3-5% Ag
此温区仍未发现 可广泛采纳的无铅焊锡
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总成互联之尺度
间距
3mm 0.5mm 25µm 1µm 0.1µm
>50%信号延迟或速度损失
电路板总成 晶片总成
晶片本身总成 未来的纳米微电子
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集成晶片之总成
组装部件种类:
DIP, PGA, SOIC, SOJ, PLCC, LCCC, QFP, BGA, …
在印刷电路板(PCB)上的 焊锡球格阵列集成晶片(BGA)
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Pentium 焊锡球格阵列(BGA)
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球格阵列集成晶片所用焊锡球最先进的总成技术
球和金 90Pb/10Sn 90Pb/10Sn 63Sn/37Pb 90Pb/10Sn Au镀的 Ni 球直径 (mm) 0.89 0.50 (1.8H) 0.76 0.64 0.09 求间距 (mm) 1.25 1.25 1.25 1-1.5 0.3-1.5 电路板上的 焊锡 63Sn/37Pb 63Sn/37Pb 63Sn/37Pb 63Sn/37Pb 63Sn/37Pb
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未来的集成晶片之总成
激光缩放： 利用激光以气相沉积互联的金属 光电子总成： -光导纤维 -集成平面波导 -全息光子投射
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光电子器件的总成
对中精度约为2-5µm 焊锡 (薄膜或翻转晶片) -3-3.2µm 75Au-25Sn -1-3µm In -2µm Sn -80Au-20Sn -88Au-12Ge-97Au-3Si 10Au-90Sn -95Pb-5Sn -52In-48Sn -60Sn-40Pb
无铅焊锡在微电子总成中的应用
熔点(oC)
400 350 300 250 200 150 100 97Au-3Si 88Au-12Ge 80Au-20Sn 半固体焊锡 99.3Sn-0.7Cu 96.5Sn-3.5Ag
晶片总成
94.7Sn-3.3Ag-2Cu
电路板总成Βιβλιοθήκη Baidu
58Bi-42Sn 52In-48Sn
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典型的焊锡焊接熔化温度图
温度 (oC) 200 100
5-10 秒 预热温度 120-150oC 峰值温度 210-220oC 63Sn/37Pb
0
1
3 2 时间 (分)
4
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典型的焊锡接点的服役失效模型
温度循环 (Hz) 10-3
10-4
0.1 0.05 0.25
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集成晶片之焊锡粘贴
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集成晶片之金硅共晶焊锡粘贴
应用: -密封的军用组装器件 -早期的塑料组装器件 Au-Si
共晶形成：
oC oC.
- Au: 1064 - Si : 1414
- 共晶: Au-3wt.% Si at 363oC Au-Si共晶焊锡粘贴工艺：
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焊锡联接的Pentium 翻转集成晶片（Flip-Chip)
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典型的翻转集成晶片所用焊锡和表面冶金
焊锡: -95Pb-5Sn -Pb-In Alloys -63Sn-37Pb 等 晶片的铝衬垫上的冶金: -Cr/Ni/Au -Cr/Cu/Au -Ti-W/Cu/Sn-Pb 等
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印刷电路板(PCB)之总成
穿孔联接技术 (THT)
表面联接技术 (SMT) > 50%
波形焊锡焊接
焊锡浆糊或球熔化焊接 -气相熔化 -红外线熔化，等
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典型的焊锡焊接界面
印刷电路板上的铜衬垫: -Sn-Pb 焊锡涂镀的 Cu (6-12µm) -抗氧化有机涂镀的Cu (0.2-0.5µm) -Ni/Au电镀的 Cu (0.3-0.5µm) -Ni/Pd电镀的 Cu (0.1-0.5µm) 焊锡可浸润性: Sn>Sn-Pb>Cu>Pd-Ag>Ni 组装器件的导线端 -Cu -Cu 合金 -合金 42 (Fe-42Ni) -Kovar(Fe29Ni17Co) -由 Sn-Pb涂镀 -由 Ni/Ag电镀 -由Ni/Au电镀 -由 Ni/Pd电镀 -由 Ag/Pd电镀
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微电子总成之概念
晶片本身总成 集成晶片 分立原件
晶片总成
多重晶片模板 (MCM)
组装器件
电路板总成
电子屋架(Housing)
印刷电路板(PCB)
系统总成
系统
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高频，高速及高功率
现行的对策： -缩小特征和互联尺寸 未来的SiC和金刚石半导体 -更宽的能带间隙(3-5倍) -更高的击穿电压(3-33倍) -更高的饱和速度(2-3倍)
Courtesy of ASME Handbook
- 在约425oC，硅晶片与底板的镀金直接反应生成，亦可采用 预先成型的硅金共晶薄片； - 氮气(N2)气氛保护。
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集成晶片之常规焊锡粘贴
应用: 焊锡： 工艺： 功率晶片，各种产热晶片。 95Pb/5Sn, 88Pb/10Sn/2Ag, 80Au-20Sn, 88Au-12Ge, 等。 - 焊锡薄片熔化 - 软焊锡熔化配置(SSD) - 真空或氮气保护或焊剂
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在约 235-250oC的印刷电路板 (PCB)之总成
晶片 半固体焊锡 陶瓷底板 低熔点焊锡 印刷电路板
炉子加热
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该概念的实验证据
温度
oC
载荷 200 µm
铜镀的氧化铝
半固体焊锡接点 300 200 100 0 电加热平板炉
4
8
12
16
20
温度敏感器件总成
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SPM 焊锡及其无铅焊锡的产品
• 焊锡线 • 焊锡薄片 • 滚压复合的焊锡衬垫
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SPM 常规焊锡及其产品
合金
95Pb-5Sn 90Pb-10Sn 88Pb-10Sn-2Ag 95.5Pb-2Sn-2.5Ag 92.5Pb-5Sn-2.5Ag 97.5Pb-1Sn-1.5Ag 92.5Pb-5In-2.5Ag 63Sn-37Pb 60Sn-40Pb 62Sn-36Pb-2Ag 50Pb-50In
100
0
10
20 时间 (分.)
30
40
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在半固体焊锡拉力试验中的粘着特性
焊锡
熔点
(oC)
接点分离
温度 (oC) 时间 (Hr) >18
接点分离
温度. (oC) 200 >330 时间 (Hr) 0 0
63Sn37Pb 半固体 焊锡
183 227450
260
CONFIDENTIAL SPM
SPM
SPM对无铅集成晶片之总成的对策
半固体焊锡，其拥有较宽的熔化温度区达 220-450oC。
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SPM
新颖的概念：半固体总成
无铅焊锡的电路板总成温度预期为
235-250oC。
在电路板无铅焊锡焊接的总成中，用于晶片焊接的无铅
焊锡将处于半熔化状态。
然而，晶片中处于半熔化状态的无铅焊锡因含有30-
类型 CBGA CCGA PBGA TBGA µBGA
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SPM
微电子总成中的焊锡之三大性能

温度 可浸润性(Wettability) 热疲劳寿命


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SPM
焊锡在微电子总成中的应用
熔点(oC)
400 350 300 250 200 150 100
97Au-3Si 88Au-12Ge 95Pb-5Sn 80Au-20Sn 晶片总成 95.5Pb-2Sn-2.5Ag 88Pb-10Sn-2Ag 电路板总成
熔点
(oC) 308-312 275-302 267-299 299-304 287-296 309 300-310 183 183-190 179 184-210
Pb/Sn 焊锡
焊锡焊接 -还原气氛 (4-10%H2 in N2 or Ar) -甲酸蒸汽 (1.5-7% HCOOH in N2) -真空 (10-2-10-5 torr)
玻璃光器件 对中层
液晶
集成晶片
Au/Sn 焊锡
Si底板
线联接
空间光调制器
CONFIDENTIAL SPM
翻转晶片联接是一个演化的方向