大研智造丨微电子器件无焊剂焊接：激光焊接技术如何优化焊点

微电子封装技术的核心在于芯片间的精密互连，这种互连不仅赋予器件以功能，还提供必要的机械支撑、散热、导电和防护。在光电器件中，互连介质更是扮演着光传导的关键角色。焊点，凭借其出色的散热、导电和力学性能，在微电子封装中发挥着至关重要的作用。焊点的形成依赖于钎料在焊盘上的润湿和铺展，但焊料表面的氧化物却常常成为润湿和铺展的障碍。

为了克服这一挑战，锡焊焊点通常会添加焊剂，以防止焊料氧化并降低表面能，从而优化润湿铺展性能。然而，焊剂的酸性特性可能会对器件或芯片造成腐蚀，影响器件的可靠性。为了确保器件的长期稳定性，微电子封装领域不得不寻求降低焊剂活性的方法，但这又可能导致成品率下降和返修率上升，进而增加制造成本。

随着微电子技术的飞速发展，越来越多的敏感元器件，如MEMS器件、传感器、生物医药和光电器件等，对焊剂的使用提出了严格的限制。这些器件的芯片和基板间距非常小，使得焊剂难以彻底清洗，从而留下可靠性隐患。因此，无焊剂锡焊技术在现代微电子封装领域的需求日益增长。

1. 无焊剂锡焊技术

钎料在被焊件表面的润湿、铺展和界面反应是钎焊最关键的物理化学过程。然而钎料表面覆盖的高熔点氧化物层阻碍了钎料的润湿和铺展。因此，去除表面氧化物和阻止表面氧化物的形成是无焊剂锡焊技术的关键。目前，无焊剂锡焊技术主要是通过还原性气体保护和等离子预处理等方式提高钎料的润湿铺展性能，以提高焊点质量。

无焊剂钎焊过程通常选择真空/惰性气体/还原性气体的气氛中进行，其中真空和惰性气体均能阻止氧化物的进一步生成，还原气氛保护不仅能够阻止钎料表面氧化物的进一步生成，同时能够对已存在的氧化物进行有效分解。目前常用的还原气氛有氢气（H2）、一氧化碳（CO）、氮气（N2）。由于H2和CO均为可燃性气体，使用存在一定的安全因素，且CO为有毒气体，固两者在实际生产和研究中使用较少。

2. 激光焊接技术

激光焊接是一种先进的焊接技术，它无需预先涂覆助焊剂。通过分球圆盘将锡球送入喷嘴，利用脉冲激光的高峰值功率瞬间融化锡球，并借助氮气喷射到工件表面，实现快速冷却。激光焊接的特点在于局部快速集中加热和冷却，能够满足微电子焊点的电子互连要求，细化焊点组织，提高焊点的疲劳寿命，并解决助焊剂的问题。

与传统锡焊技术相比，激光焊接具有以下优势：

(1)非接触式焊接，对焊接头材料和形状无特殊要求；

(2)无需填充焊剂，利用激光光束的集中能量瞬时熔化线材及焊盘；

(3)绿色环保，符合ROHS无铅焊接要求，无需焊后清洗；

(4)焊点尺寸可达0.1平方毫米甚至更小，且均匀一致；

(5)焊点电阻小，有效减少连接器件变形；

(6)高效率，可实现多位置、多型号线缆连接器的有效互连；

(7)配备CCD监视器，提高对位准确性，避免焊接缺陷。

3. 总结

在微电子封装的未来，焊点的性能将直接影响整个器件的性能。随着技术的进步，传统的焊接方法正在被新型焊接技术所取代。无焊剂激光焊接技术以其卓越的性能和环保优势，正成为行业发展的新趋势。这些技术不仅提高了焊点的机械和电气性能，还满足了日益严格的环保要求。

随着这些技术的不断发展和完善，预计它们将在微电子封装领域扮演更加重要的角色。它们将助力电子器件实现更小尺寸、更高性能的目标，同时确保器件的长期可靠性。这些技术的进步，无疑将为电子行业带来一场革命，推动电子产品向更高层次的发展。

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