从 2D 到 3.5D 封装演进中焊材的应用与发展

在半导体产业的发展进程中，封装技术从 2D 逐步迈向 3.5D，实现了从平面到立体、从低集成到高集成的跨越。这一演进不仅提升了芯片性能，还改变了对封装焊接材料的需求。作为专业生产锡膏、助焊剂、银胶、烧结银等焊材的企业，深入了解这些变化对产品研发和市场拓展至关重要。

一、2D 封装：传统焊材的基石作用

2D 封装是最基础的形式，芯片以平铺方式安装在基板上，通过引线键合或倒装芯片技术实现电气连接。这一阶段，锡膏和助焊剂是主要焊材。

1. 锡膏：以 SAC305（Sn96.5Ag3Cu0.5）为代表的无铅锡膏广泛应用，其熔点约 217℃，适用于 0.5mm 以上间距的 BGA、QFP 等封装。针对细间距需求（如 0.4mm pitch），T5 级（15 - 25μm 粒径）锡粉被采用，以确保印刷精度和焊接质量。
2. 助焊剂：在 2D 封装中，助焊剂起到去除金属表面氧化物、降低焊料表面张力、促进焊料润湿和铺展的作用。免清洗助焊剂因无需后续清洗工序，减少了对芯片的损伤风险，在消费电子等领域得到广泛应用，其残留物表面绝缘电阻需大于 10^13Ω，防止电化学迁移。
3. 银胶：用于芯片与基板的机械固定和电气连接，尤其是在柔性电路板（FPC）与芯片的连接中。银胶的银含量通常≥85%，热导率可达 60W/m・K，确保良好的导电性和散热性。固化条件一般为 150 - 170℃，需精确控制胶量（±5%），以保证连接强度和可靠性。

二、2.1D 封装：对焊材精度与性能的新要求

2.1D 封装在 2D 基础上，通过在封装基板上制造细间距金属互连层（RDL）或嵌入硅桥，实现更高密度的芯片间互连。

1. 微凸块材料：为实现更细间距的互连（如 10 - 20μm），铜柱凸块结合 SnAgCu 焊料成为主流。铜柱凸块高度通常在 50 - 100μm，提供了可靠的电气连接和机械支撑。SnAgCu 焊料在保证焊接强度的同时，需满足更低的空洞率要求（≤5%），以提升信号传输的稳定性。
2. 纳米银浆：随着封装密度的提高，纳米银浆（粒径 50 - 100nm）开始应用。激光烧结后，纳米银浆形成的银层电阻率低至 4.7μΩ・cm，热导率达 260W/m・K，适用于 10μm 以下间距的硅桥互连，有效降低了电阻和热阻，提升了封装性能。
3. 底部填充胶：为减少热应力对焊点的影响，底部填充胶的性能要求更加严格。环氧基底部填充胶的热膨胀系数（CTE）需与芯片和基板相匹配，一般控制在 18ppm/℃左右，填充时间要求小于 30 秒，以确保在短时间内均匀覆盖焊点，提高封装的可靠性。

三、2.3D 封装：有机中介层带来的焊材变革

2.3D 封装引入有机中介层，实现了芯片与基板之间的高密度互连。

1. 焊球与焊料：在有机中介层与基板的连接中，SAC305 焊球（直径 100 - 150μm）仍是常用选择，但对焊球的一致性和焊接空洞率要求更高，空洞率需严格控制在 5% 以下，以保证信号传输的稳定性。同时，为适应多层堆叠的阶梯焊接，高导热、低熔点的 Sn-Zn-Bi 合金（熔点 180-190℃，热导率80W/m・K）也得到应用，减少高温对底层芯片的损伤。
2. 助焊剂：针对有机中介层的焊接，无卤素助焊剂成为主流。这类助焊剂在保证良好焊接性能的同时，避免了卤素对有机材料的腐蚀，确保了封装的长期可靠性。如傲牛AN-227-1无卤素助焊剂，能有效支持铜柱凸块的无铅焊接，接触角≤15°，提升了焊接的润湿性和可靠性。
3. 底部填充材料：与 2.1D 封装类似，底部填充材料需具备良好的流动性和低 CTE 特性。但由于 2.3D 封装的结构更为复杂，对底部填充材料的填充能力和与有机中介层的兼容性要求更高。

四、2.5D 封装：高性能焊材支撑高密度集成

2.5D 封装以硅中介层为核心，通过 TSV（硅通孔）和RDL实现芯片间的高速、高密度互连。

1. 微凸块与混合键合材料：在芯片与硅中介层的连接中，微凸块的尺寸和间距进一步缩小，铜柱凸块直径可低至20 - 50μm，互连密度高达1000 个/mm²。为实现更高的带宽和更低的延迟，部分场景采用混合键合技术，直接通过Cu - Cu键合实现芯片间互联，无需传统焊料，带宽密度可达1TB/s/mm²。
2. 底部填充与散热材料：由于2.5D封装中芯片集成度高、发热量大，底部填充材料不仅要具备良好的机械性能，还需具备高导热性。例如，3M TM2910 高导热银胶，热导率可达 200W/m・K 以上，在填充焊点间隙的同时，有效将芯片产生的热量传导出去，降低芯片温度，提升封装的可靠性。
3. 助焊剂与清洗工艺：在 2.5D 封装中，助焊剂的残留对芯片性能影响更大。因此，对助焊剂的清洗要求更为严格，通常采用去离子水清洗（电阻率 > 18MΩ・cm），确保助焊剂残留离子（如 Cl⁻、Br⁻）浓度低于10μg/cm²，防止电化学迁移导致的芯片失效。

五、3D 封装：垂直堆叠下的焊材挑战与创新

3D 封装实现了芯片的垂直堆叠，通过 TSV 和微凸点实现芯片间的垂直互连，对焊材的性能和工艺提出了极高要求。

1. TSV 填充材料：电镀铜是 TSV 填充的主要材料，要求纯度＞99.99%，以确保低电阻（电阻率 1.7μΩ・cm）和良好的导电性。对于 10μm 以下孔径的 TSV，需精确控制电镀工艺，保证铜填充的均匀性和完整性，避免空洞和裂缝的产生。
2. 低温焊料与混合键合：为减少堆叠过程中的热应力，低温焊料如 Sn58Bi（熔点 138℃）被广泛应用于多层堆叠的阶梯焊接。同时，混合键合技术在3D封装中也得到进一步发展，通过精确控制键合温度、压力和时间，实现芯片间的高质量连接，提升封装的整体性能。
3. 自修复焊料：针对3D封装中焊点易受热应力影响产生微裂纹的问题，自修复焊料成为研究热点。例如，嵌入微胶囊型助焊剂的焊料，当焊点出现微裂纹时，胶囊破裂释放助焊剂，修复氧化层，恢复焊点的导电性和机械强度，提高封装的长期可靠性。

六、3.5D 封装及未来趋势：焊材的持续进化

3.5D封装结合了2.5D和3D封装的优势，通过中介层实现芯片的横向和垂直互连，对焊材的性能、精度和集成度提出了更高要求。

1. 高性能纳米材料：未来，纳米银浆、纳米铜浆等高性能纳米材料将在 3.5D 封装中发挥更大作用。这些材料具有更低的电阻率和更高的热导率，能够满足更高密度互连和更高效散热的需求。例如，通过优化纳米银浆的烧结工艺，可使其热导率达到 300W/m・K 以上，电阻降低至 3μΩ・cm 以下。
2. 无助焊剂键合技术：随着封装尺寸的不断缩小和集成度的不断提高，助焊剂残留对芯片性能的影响愈发显著。无助焊剂键合技术，如在真空或惰性气体环境中进行的铜 - 铜直接键合，将逐渐成为主流。这种技术不仅能提高互连的长期可靠性，还能避免助焊剂残留导致的腐蚀和短路问题。
3. 智能化与定制化焊材：随着 AI 技术在半导体制造中的应用，智能化焊材将成为趋势。例如，具备自适应调节性能的焊材，可根据焊接过程中的温度、压力等参数自动调整物理性质，确保焊接质量的一致性。同时，针对不同应用场景和客户需求，定制化焊材将得到更多开发，满足如医疗、航天等特殊领域对封装可靠性和性能的严格要求。

从 2D 到 3.5D 封装的演进过程中，锡膏、助焊剂、银胶、烧结银等焊材不断创新和发展，以适应日益复杂的封装结构和更高的性能要求。作为焊材生产企业，紧跟封装技术发展趋势，持续投入研发，开发出更高效、更可靠、更环保的焊材产品，将是在半导体封装市场中保持竞争力的关键。