相比引线键合，倒装焊是一种更先进的微电子封装工艺，它在硅芯片有源区一侧制作焊盘和凸点焊料，然后面朝下将芯片用焊料和基板互连在一起，形成稳定可靠的机械、电气连接。芯片的焊盘及凸点可阵列排布，大大提升了封装互连密度。倒装焊一般采用芯片凸点涂覆助焊剂或在基板侧焊盘印刷／喷涂助焊剂或锡膏的方式，再将芯片凸点与基板焊盘对位后回流完成焊接，然后进行残留助焊剂的清洗及底部填充工艺。随着倒装芯片凸点节距及高度不断缩小，芯片尺寸不断增大，采用助焊剂或锡膏方式进行倒装焊后，相邻凸点之间容易发生桥连，且倒装焊后残留的助焊剂无法彻底清洗，进行底部填充时易造成空洞产生，降低了电路长期可靠性。即便现阶段很多厂商研制了免清洗助焊剂，也仍无法避免助焊剂残留造成的电路可靠性问题。
针对无助焊剂焊接工艺，国外的学者开展了大量研究。T.Takeuchi研究小组使用微波等离子设备电离出表面波等离子体，对芯片凸点焊料进行等离子处理后，可实现倒装工艺在空气中实施而不会出现因焊料氧化造成的浸润不良。L.Wei等人分析了甲酸在倒装焊回流过程对焊料进行还原的机理，并对比了不同浓度甲酸的焊接效果。
本文对无助焊剂倒装焊回流峰值温度区间的气氛环境对焊点气孔的影响进行了研究，为该技术向更广泛的产品类型应用提供了参考。
一、实验设计
采用具有代表性的3种气氛环境进行回流焊实验，包括真空、氮气及甲酸（HCOOH）。采用的倒装芯片凸点为直径150μm 的Sn63Pb37焊球，基板为C4焊盘表面电镀Ni/Au的陶瓷外壳，回流设备是具有密封腔体可进行热板及红外辐射组合加热的回流炉。
真空和氮气环境能阻止焊料形成氧化物，甲酸可与金属氧化物发生反应，羟基取代氧原子形成甲酸盐，甲酸盐在高温下分解形成金属单质，消除了金属氧化物对焊点造成的不良影响。
甲酸参与回流的过程，根据温度（t）变化，反应可分为两个阶段。
t >150℃时
MO+2HCOOH=M(COOH)2+H2O
(1)
t >200℃时
M(COOH)2=M+CO2+H2 (2)
MO+H2=M+H2O
(3)
式中：M代表金属。
由上述反应方程式可知，当温度低于150℃时，甲酸与金属氧化物不发生反应。当200℃＞ｔ＞150℃时，甲酸与金属氧化物反应生成甲酸盐。当温度高于200℃时，甲酸盐分解生成金属单质、二氧化碳和氢气，同时氢气继续与金属氧化物发生还原反应，生成金属单质。
Sn63Pb37凸点熔融温度为183℃，通过热电偶测量热板及外壳表面实际温度，最终设定回流峰值温度为245℃。先将倒装芯片与基板进行微波等离子清洗，去除芯片凸点及基板焊盘表面氧化物。等离子清洗完成1h内，完成倒装芯片与基板的对位固定，然后将电路放置在回流炉中完成焊接。根据回流气氛共安排3组实验，每组焊接2只样品，Ⅰ组为真空回流，Ⅱ组为氮气回流，Ⅲ组为甲酸回流。回流过程先对密封腔内气氛进行真空－氮气－真空－氮气循环，每组气氛保持时间为90s，以净化反应腔内气体成分，降低氧气含量。然后通入携带甲酸的氮气并以1.25℃/s的升温速率升温至175℃，氮气流量设定为4~6L/min，保持10min，此时甲酸与金属氧化物反应生成甲酸盐化合物，继续升温至峰值温度245℃ ，升温速率为0.6℃/s，峰值温度保持5min，最后通入氮气并以1℃/s的速率降温至50℃，完成回流。
本文研究的即175℃升温至峰值245℃并保持5min的过程中，密封腔内气氛变化对焊接界面气孔的影响。Ⅰ组实验先将密封腔内气体排出，形成真空环境，同时升温至245℃，保持5min，最后降温并通入氮气，完成样品制备；Ⅱ组实验先将腔体内气体排出，在升温至245℃时通入氮气，保持5min，最后降温并通入氮气，完成样品制备；Ⅲ组实验过程腔体内气体不进行调整，升温至245℃，保持5min，最后降温并通入氮气，完成样品制备。
研究结果会在《回流气氛对无助焊剂倒装焊焊点气孔的影响（下）》中详细讲解和讨论。