微小無鉛釬焊接頭中金錫化合物的形貌與分布：激光與熱風(fēng)重熔方法的比較

在微電子封裝和組裝領(lǐng)域，重熔釬焊技術(shù)是實現(xiàn)器件連接的關(guān)鍵工藝。隨著技術(shù)的發(fā)展，激光重熔因其局部加熱和高能量輸入的特點，逐漸成為焊接熱敏感器件的首選方法。金作為一種常用的金屬鍍層材料，在釬焊接頭中與錫反應(yīng)生成金屬間化合物，這些化合物的形貌和分布對接頭的性能有著重要影響。

1. 激光重熔方法：

1.1 激光重熔原理與特點

激光重熔技術(shù)利用高能量密度的激光束對釬料進(jìn)行局部加熱，使其迅速熔化并與焊盤形成冶金連接。這種方法具有加熱速度快、熱影響區(qū)域小、能量輸入集中等特點，特別適合焊接熱敏感器件。

1.2 金錫化合物的形貌與分布

在激光重熔過程中，由于加熱時間短（僅幾毫秒），金鍍層與釬料合金的反應(yīng)有限。當(dāng)金鍍層厚度為0.1微米時，金可以被釬料合金完全溶解。然而，當(dāng)金鍍層厚度增加到3.0和4.0微米時，金不會被完全溶解，而是在界面處與釬料合金中的錫反應(yīng)生成AuSn4、AuSn2、AuSn化合物和Au2Sn相。這些化合物的形貌多為針狀或樹枝狀，分布在界面附近。

1.3 激光重熔對接頭性能的影響

激光重熔技術(shù)由于其快速加熱和冷卻特性，能夠細(xì)化焊料組織，提高焊點的機(jī)械強度和疲勞壽命。此外，由于金錫化合物主要集中在界面處，且形貌細(xì)小，對接頭的性能影響較小。

2. 熱風(fēng)重熔方法

2.1 熱風(fēng)重熔原理與特點

熱風(fēng)重熔技術(shù)通過熱風(fēng)對釬料進(jìn)行加熱，使其熔化并與焊盤形成冶金連接。這種方法加熱均勻，但加熱時間較長，可能導(dǎo)致熱敏感器件的損傷。

2.2 金錫化合物的形貌與分布

在熱風(fēng)重熔過程中，由于加熱時間長達(dá)70秒，金與錫的反應(yīng)更為充分和劇烈，金錫化合物完全演變?yōu)锳uSn4化合物，呈大塊狀或短棒狀分布于整個釬焊接頭。這些大塊狀的AuSn4化合物的存在會嚴(yán)重影響接頭的性能，導(dǎo)致接頭可靠性下降。

2.3 熱風(fēng)重熔對接頭性能的影響

熱風(fēng)重熔方法由于加熱時間長，可能導(dǎo)致金錫化合物的大塊狀分布，影響接頭的可靠性。此外，焊盤鍍層中的Ni和Cu元素也可能熔入釬料合金中，生成更復(fù)雜的金屬間化合物，進(jìn)一步影響接頭性能。

3. 兩種方法的比較

3.1 金錫化合物形貌與分布的差異

激光重熔方法得到的金錫化合物形貌細(xì)小，主要集中在界面處，而熱風(fēng)重熔方法得到的金錫化合物形貌較大，分布于整個釬焊接頭。

3.2 對接頭性能影響的比較

激光重熔方法由于金錫化合物形貌細(xì)小且分布集中，對接頭性能的影響較小，而熱風(fēng)重熔方法由于金錫化合物形貌較大且分布廣泛，對接頭性能的影響較大。

3.3 激光噴射錫球技術(shù)（LJSBB）的優(yōu)勢

激光噴射錫球技術(shù)（LJSBB）作為一種先進(jìn)的激光重熔技術(shù)，具有非接觸式、局部加熱、熱影響區(qū)小和靈活且易于實現(xiàn)自動化等特點。此外，LJSBB技術(shù)的快速加熱和冷卻特性使得焊料組織細(xì)化，極大提高了焊點的機(jī)械強度和疲勞壽命。

4. 結(jié)論

激光重熔方法因其快速加熱和冷卻特性，能夠細(xì)化焊料組織，提高焊點的機(jī)械強度和疲勞壽命，而熱風(fēng)重熔方法則可能導(dǎo)致金錫化合物的大塊狀分布，影響接頭的可靠性。因此，在焊接熱敏感器件時，激光重熔方法更為合適。

5. 激光焊接工作原理

5.1 激光噴射錫球系統(tǒng)組成

激光噴射錫球系統(tǒng)主要由激光發(fā)射系統(tǒng)、CCD照相系統(tǒng)、供球系統(tǒng)、氮氣控制系統(tǒng)和焊接工作臺組成。這些組成部分協(xié)同工作，實現(xiàn)精確的焊接過程。

5.2 激光噴射錫球技術(shù)（LJSBB）的工作原理

當(dāng)釬料球從供料系統(tǒng)經(jīng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)自動滾入到噴嘴處時，噴嘴卡住未融化的釬料球。當(dāng)高壓氮氣的壓力達(dá)到設(shè)定閾值時，激光器觸發(fā)產(chǎn)生高脈沖能量，瞬間熔化噴嘴處的釬料球。熔化后的釬料在氮氣壓力和自身重力的作用下噴射，釬料接觸到焊盤后潤濕鋪展形成焊點，從而完成焊接過程。

5.3 技術(shù)實施的挑戰(zhàn)與解決方案

盡管激光焊錫技術(shù)具有顯著優(yōu)勢，但在實際應(yīng)用中也面臨著設(shè)備成本高、操作復(fù)雜性等挑戰(zhàn)。為了克服這些挑戰(zhàn)，大研智造提供了全面的客戶服務(wù)和技術(shù)支持，確保客戶能夠充分利用激光焊錫機(jī)的潛力。

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審核編輯 黃宇