引言

共晶燒結貼片技術在微電子封裝領域具有重要地位，特別是在軍用陶瓷或金屬封裝中的應用尤為廣泛。然而，這一技術在實際應用中面臨著一個關鍵問題：Sn基焊料極易氧化形成Sn2O、SnO2等氧化物，這些氧化物在共晶過程中會不斷堆積在焊料表面，形成焊料表面懸浮顆粒，進而引發PIND（Particle Impact Noise Detection）失效。本文基于氧化膜破裂理論，通過對當前使用的共晶燒結氮氣保護結構進行改進，旨在實現局部高純度氮氣保護環境，減少焊料表面懸浮氧化物顆粒，從而提高封裝的可靠性和成品率。

研究背景

在共晶燒結貼片過程中，焊料表面的氧化物顆粒是封裝體內部可動自由粒子的主要來源之一。這些氧化物顆粒在電路使用過程中，可能因發射、震動而脫離焊料本體，隨機移動并碰撞損傷芯片表面或鍵合引線，導致電路短路、斷路等誤動作，具有極大的危害性和可靠性風險。因此，控制焊料表面懸浮氧化物顆粒的堆積情況，減少PIND失效率，是提高封裝質量的關鍵。

研究方法

當前氮氣保護結構的不足

目前，共晶燒結貼片過程中常用的氮氣保護結構存在一些問題。例如，氮氣高速流過加熱臺表面時，由于伯努利效應，加熱臺表面形成負壓，導致大量空氣中的氧氣從加熱臺側面及表面流過，形式上具備氮氣保護結構，實際上并無氮氣保護效果。此外，現有的氮氣保護結構在共晶燒結過程中，由于氮氣流動時附帶混雜空氣，使其純度不高，焊料容易發生二次氧化，導致焊料表面形貌不良。

改進方案

為了克服現有氮氣保護結構的不足，本文提出了三種改進方案，并通過實驗驗證了其有效性。

方案一：四面包圍式氮氣保護結構

該方案通過在側面吹拂氮氣，底面空隙處加裝氮氣氣刀來實現氮氣保護。然而，實驗結果表明，該方案仍然無法有效防止空氣中的氧氣進入燒結臺面，焊料表面形貌仍然不佳。

方案二：正面加蓋式氮氣保護結構

該方案通過在加熱臺正面加蓋來減少氧氣的進入。然而，存在的問題是氮氣包圍結構不易固定，整體平臺不穩固。

方案三：小型半密閉腔體式氮氣保護結構

該方案將加熱臺及其底座整體包圍，正面加蓋，僅露出需要共晶的加熱臺表面，形成半密封的結構形式。氮氣僅從底面側部流進，從上面加蓋的開口處流出。實驗結果表明，該方案能夠有效實現局部高純度氮氣保護環境，減少焊料表面懸浮氧化物顆粒。

實驗結果與分析

焊料表面形貌改善

通過對改進前后的焊料表面形貌進行掃描電鏡分析，結果表明，改進后的焊料表面光亮圓潤，極少有懸浮氧化物顆粒堆積或粘附。相比之下，改進前的焊料表面顏色暗淡，表面形貌粗糙，有大量懸浮氧化物顆粒。

PIND失效率和成本損失降低

大量統計數據表明，采用改進后的氮氣保護結構，有效降低了PIND失效率和成品篩選電路的成本損失。這主要得益于焊料表面懸浮氧化物顆粒的顯著減少，從而降低了可動顆粒導致的電路短路、斷路等誤動作的危害性和可靠性風險。

潤濕性和可靠性提升

研究表明，氮氣保護能夠提升焊料的潤濕性和可靠性。在良好的氮氣保護環境下，焊料表面的氧化物層會破裂，熔融焊料從氧化層的裂縫處流出形成新的表面。這一過程不僅減少了焊料表面的懸浮氧化物顆粒，還提高了焊料的潤濕性和流散性，降低了焊料中的空洞和微缺陷數量，從而提高了封裝的可靠性。

討論

共晶燒結貼片過程中焊料表面的氧化物顆粒問題是影響封裝質量的關鍵因素之一。通過改進氮氣保護結構，實現局部高純度氮氣保護環境，可以有效減少焊料表面懸浮氧化物顆粒的堆積情況，提高封裝的可靠性和成品率。

然而，需要注意的是，氮氣保護結構的改進雖然能夠顯著降低PIND失效率和成本損失，但并不能完全消除焊料氧化的可能性。因此，在實際應用中還需要結合其他措施來進一步控制焊料氧化問題。例如，可以在共晶燒結過程中使用助焊劑以減少氧化物顆粒的形成；或者采用更先進的封裝技術和材料來提高封裝的整體性能。

此外，本文提出的改進方案雖然在實驗中取得了顯著效果，但在實際應用中還需要考慮設備的成本、維護難度以及生產效率等因素。因此，在未來的研究中還需要進一步優化改進方案，以實現更經濟、高效、可靠的氮氣保護效果。

結論

本文通過對共晶燒結貼片氮氣保護結構的改進研究，成功實現了局部高純度氮氣保護環境，有效減少了焊料表面懸浮氧化物顆粒的堆積情況，提高了封裝的可靠性和成品率。實驗結果表明，改進后的氮氣保護結構能夠顯著降低PIND失效率和成本損失，提升焊料的潤濕性和可靠性。未來研究將進一步優化改進方案，以實現更經濟、高效、可靠的氮氣保護效果。