共晶烧结贴片技术革新：氮气保护下的封装奇迹

引言

共晶烧结贴片技术在微电子封装领域具有重要地位，特别是在军用陶瓷或金属封装中的应用尤为广泛。然而，这一技术在实际应用中面临着一个关键问题：Sn基焊料极易氧化形成Sn2O、SnO2等氧化物，这些氧化物在共晶过程中会不断堆积在焊料表面，形成焊料表面悬浮颗粒，进而引发PIND（Particle Impact Noise Detection）失效。本文基于氧化膜破裂理论，通过对当前使用的共晶烧结氮气保护结构进行改进，旨在实现局部高纯度氮气保护环境，减少焊料表面悬浮氧化物颗粒，从而提高封装的可靠性和成品率。

研究背景

在共晶烧结贴片过程中，焊料表面的氧化物颗粒是封装体内部可动自由粒子的主要来源之一。这些氧化物颗粒在电路使用过程中，可能因发射、震动而脱离焊料本体，随机移动并碰撞损伤芯片表面或键合引线，导致电路短路、断路等误动作，具有极大的危害性和可靠性风险。因此，控制焊料表面悬浮氧化物颗粒的堆积情况，减少PIND失效率，是提高封装质量的关键。

研究方法

当前氮气保护结构的不足

目前，共晶烧结贴片过程中常用的氮气保护结构存在一些问题。例如，氮气高速流过加热台表面时，由于伯努利效应，加热台表面形成负压，导致大量空气中的氧气从加热台侧面及表面流过，形式上具备氮气保护结构，实际上并无氮气保护效果。此外，现有的氮气保护结构在共晶烧结过程中，由于氮气流动时附带混杂空气，使其纯度不高，焊料容易发生二次氧化，导致焊料表面形貌不良。

改进方案

为了克服现有氮气保护结构的不足，本文提出了三种改进方案，并通过实验验证了其有效性。

方案一：四面包围式氮气保护结构

该方案通过在侧面吹拂氮气，底面空隙处加装氮气气刀来实现氮气保护。然而，实验结果表明，该方案仍然无法有效防止空气中的氧气进入烧结台面，焊料表面形貌仍然不佳。

方案二：正面加盖式氮气保护结构

该方案通过在加热台正面加盖来减少氧气的进入。然而，存在的问题是氮气包围结构不易固定，整体平台不稳固。

方案三：小型半密闭腔体式氮气保护结构

该方案将加热台及其底座整体包围，正面加盖，仅露出需要共晶的加热台表面，形成半密封的结构形式。氮气仅从底面侧部流进，从上面加盖的开口处流出。实验结果表明，该方案能够有效实现局部高纯度氮气保护环境，减少焊料表面悬浮氧化物颗粒。

实验结果与分析

焊料表面形貌改善

通过对改进前后的焊料表面形貌进行扫描电镜分析，结果表明，改进后的焊料表面光亮圆润，极少有悬浮氧化物颗粒堆积或粘附。相比之下，改进前的焊料表面颜色暗淡，表面形貌粗糙，有大量悬浮氧化物颗粒。

PIND失效率和成本损失降低

大量统计数据表明，采用改进后的氮气保护结构，有效降低了PIND失效率和成品筛选电路的成本损失。这主要得益于焊料表面悬浮氧化物颗粒的显著减少，从而降低了可动颗粒导致的电路短路、断路等误动作的危害性和可靠性风险。

润湿性和可靠性提升

研究表明，氮气保护能够提升焊料的润湿性和可靠性。在良好的氮气保护环境下，焊料表面的氧化物层会破裂，熔融焊料从氧化层的裂缝处流出形成新的表面。这一过程不仅减少了焊料表面的悬浮氧化物颗粒，还提高了焊料的润湿性和流散性，降低了焊料中的空洞和微缺陷数量，从而提高了封装的可靠性。

讨论

共晶烧结贴片过程中焊料表面的氧化物颗粒问题是影响封装质量的关键因素之一。通过改进氮气保护结构，实现局部高纯度氮气保护环境，可以有效减少焊料表面悬浮氧化物颗粒的堆积情况，提高封装的可靠性和成品率。

然而，需要注意的是，氮气保护结构的改进虽然能够显著降低PIND失效率和成本损失，但并不能完全消除焊料氧化的可能性。因此，在实际应用中还需要结合其他措施来进一步控制焊料氧化问题。例如，可以在共晶烧结过程中使用助焊剂以减少氧化物颗粒的形成；或者采用更先进的封装技术和材料来提高封装的整体性能。

此外，本文提出的改进方案虽然在实验中取得了显著效果，但在实际应用中还需要考虑设备的成本、维护难度以及生产效率等因素。因此，在未来的研究中还需要进一步优化改进方案，以实现更经济、高效、可靠的氮气保护效果。

结论

本文通过对共晶烧结贴片氮气保护结构的改进研究，成功实现了局部高纯度氮气保护环境，有效减少了焊料表面悬浮氧化物颗粒的堆积情况，提高了封装的可靠性和成品率。实验结果表明，改进后的氮气保护结构能够显著降低PIND失效率和成本损失，提升焊料的润湿性和可靠性。未来研究将进一步优化改进方案，以实现更经济、高效、可靠的氮气保护效果。