激光焊接与回流焊接对焊点影响的对比分析——绿志岛

随着“后摩尔时代”的来临，小芯片异构集成将成为半导体封装的主流趋势。为实现灵活的模块化集成和片上系统集成，小芯片往往需要在3D方向上进行封装。然而，3D封装技术也带来了一些挑战，如大功率电子元件散热问题和对不同热敏部件的互连要求。在这种情况下，激光焊接作为一种局部非接触加热的焊接工艺，逐渐成为了一种替代传统回流焊接的方法。

实验设计与结果

为了研究激光焊接和回流焊接对焊点界面IMC（金属间化合物）生长的影响，工程师采用直径为100μm的SAC305焊料球，在含有Ni-P UBM（镍磷合金底层）的硅基中介层上进行焊接。实验中，激光焊接的能量设定为7.5mJ，回流焊的峰值温度设为250℃。

实验结果显示，不同焊接工艺下得到的SAC305微凸点的界面IMC及焊料基体的厚度和形貌存在显著差异。激光焊接后的界面IMC呈颗粒状，厚度约为0.6μm；而回流焊后的IMC则呈针状，厚度达到1.3μm。此外，激光焊接后的微凸点基体中存在小粒状的(Cu, Ni)6Sn5颗粒，回流焊后的微凸点基体中则观察到相对较大的IMCs颗粒。同时，Ni-P UBM在回流焊过程中被大量消耗，而在激光焊接过程中的消耗较少。

在150°C等温老化条件下，无论是激光焊接还是回流焊接，IMC的厚度都随老化时间的增加而增加。经过一定时间的老化，激光焊接微凸点中的(Cu, Ni)6Sn5颗粒由小颗粒状转变为扇贝状，回流焊微凸点中的IMC则由针状逐渐生长为短棒状。尽管激光焊接的(Cu, Ni)6Sn5颗粒体积较小，但由于其晶界较大，原子扩散更容易导致晶粒生长速度明显加快。然而，激光焊接后的IMC厚度仍然明显薄于回流焊接后的IMC。

剪切强度分析

刚焊接完成时，激光焊接微凸点的剪切强度略高于回流焊接微凸点。工程师认为这是由于激光焊接过程中析出的微小颗粒较多，有助于抑制裂纹扩展。然而，当老化时间达到100小时时，两种焊接工艺下的微凸点剪切强度均出现明显下降。随着老化时间的进一步增加，剪切强度的变化趋于平缓。此外，对于多次回流过程而言，激光焊接能够使微凸点保持更高的剪切强度。随着回流次数的增加，激光焊接和回流焊微凸点的剪切强度均略有下降。

综上所述，激光焊接和回流焊接在焊点界面IMC生长和剪切强度方面存在明显差异。激光焊接具有局部非接触加热、温度变化快等优点，能够在一定程度上提高焊点的使用可靠性。然而，在实际应用中，还需根据具体需求和条件来选择合适的焊接工艺。