集成电路(Integrated Circuit,IC)的封装趋势正在向着多层化即三维化方向发展,且元件的功能更多,尺寸更小。这一发展趋势使得接点的互连变得更具挑战。而确保接点处的导电与机械性能的关键是将焊料和被焊金属表面的氧化物去除干净,这通常是通过使用有机助焊剂来实现的。其去除氧化物的能力归因于助焊剂中的有机酸:
金属氧化物+酸→盐+水(1)
可是,助焊剂的使用又给smt贴片封装工艺带来了许多问题,尤其是助焊剂的残留。不管使用哪种类型的助焊剂都不可避免地会产生残留,而在高可靠性的封装件中不允许有任何残留的存在。随着电子器件小型化的趋势,助焊剂残留的清洗变得越来越困难。因此,近年来无助焊剂焊接获得了更多的关注。
无助焊剂焊接主要是利用还原性气氛来去除氧化物。但是,现有的无助焊剂技术都存在不同的问题。例如,甲酸蒸气虽已在某些场合使用,但其氧化物去除的机理与有机助焊剂并无本质上的区别。因此,只是减少了残留,而并未完全消除残留。以氢气作为还原气体去除焊接表面的氧化物是非常有吸引力的,因为在氧化物的去除过程中不会产生残留物和挥发性有机物。然而,在smt贴片打样或加工生产中的正常的焊接温度范围内,氢气分子去除氧化物的效率太低。
我们知道氢气的还原性在等离子状态下可显著增加,但是,这种方法往往需要真空,因为在大气压下,等离子氢的稳定性不够。真空工艺不仅增加费用而且无法与连续生产线配套。因此,我们的目标是开发一种可在大气压力和正常焊接温度下实施的无助焊剂焊接新技术,这种技术利用电子附着(EA)原理来活化不可燃性氮氢(<4%氢)混合气中的氢气,从而达到去除氧化物的目的。接下来,众焱电子小编就来详细的讲解分析一下。
一、电子附着
1、原理
电子附着(EA)的定义如下:当低能电子,如低于10eV,与气体分子碰撞时,有些可被气体分子捕获,通过解离或直接附着的方式产生负离子。
反应式(2)描述了氢分子的解离性附着,其中一个氢分子(H2)与电子(e-)结合,产生激发态的分子型氢负离子(H2-*),随后又解离而得到原子型氢负离子(H-)和中性氢原子(H)。该中性氢原子可通过直接附着再次捕获一个电子(3),形成激发态原子型氢负离子(H-*)。而激发态的原子型负离子又可通过释放光子或与氮分子碰撞来获得稳定。氮气作为稀释气体对EA是惰性的,因为它的电子亲和能接近于零。由于所施加的电场的驱动,EA下形成的原子型氢负离子,会自动移向焊接表面进行还原反应。反应式(4)给出了还原一氧化锡的例子。反应中生成的水蒸气能够顺着气流排出炉外,自由电子则可采用适当方式被去除。
H2+e─→H2─*→H─+H(2)
H+e─→H─*(3)
2H─+SnO→Sn+H2O+2e─(4)
2、Ea的优势
EA下形成的原子型氢负离子具有高效还原性能,因为它不仅摆脱了化学键的束缚,而且作为强电子供体可促进氧化物的还原。与常规等离子体不同,EA状态下的带电环境是负电性的,这使得氢负离子间产生相互排斥,从而延长了活性粒子在大气压下的寿命。与中性气体分子或原子的随机扩散相比,EA下产生的氢负离子可在电场驱动下定向且迅速地到达焊接表面,从而提高了活性粒子的利用率。此外,大气压力比真空更有利于电子附着及负离子的形成。这是因为电子与气体分子间的碰撞频率在大气压下显著增加,这不仅有利于形成低能量的电子,同时也增加了电子接触到气体分子从而被捕获的概率。因此,用EA来活化氢气从而实现无助焊剂的焊接被认为是有前途的。
未完待续…
剩下的内容将会在《活化氢气氛下的无助焊剂smt回流焊接》一文中继续讲解分析。
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