低温焊料在芯片小片与光子学领域的关键作用

核心要点：

锡铋基焊料可有效降低翘曲，并与硅光子学及其他温度敏感元器件兼容。

一种利用白光进行焊接的新型工艺，有助于防止倒装芯片BGA封装焊球产生裂纹，同时降低碳排放。

亚共晶锡铋基焊料作为SAC305的替代方案展现出尤为突出的应用潜力。

在芯片小片时代，低温焊料正受到越来越广泛的关注。这类焊料不仅能大幅降低封装翘曲，还能兼容硅光子学、LED模块和柔性电路等温度敏感元器件。

目前，低温焊料主要应用于移动设备、可穿戴设备、摄像头模组以及薄型印刷电路板，翘曲问题在这些场景中尤为突出。而对于需要承受高电流密度和较大热梯度的高性能计算与AI应用，SAC305焊料仍是主流选择。然而，SAC305较高的热预算（235至250℃的回流温度）与大尺寸、薄型、异构封装复杂叠层结构的兼容性越来越差。

基于锡铋（Sn-Bi）合金的低温焊料在降低碳足迹方面同样具有显著优势。其回流温度仅为150℃，比SAC305低约70℃。研究表明，将SMT生产线切换至低温焊料，每年可减少约57吨二氧化碳排放，整个行业每年可望减少3.5万至5万吨的碳排放。

近年来低温焊料备受关注，部分原因在于业界对密集多芯片小片封装中热迁移与电迁移问题的日益重视。这两种现象相互促进，通常在焊点处表现最为明显，而焊点恰恰是互连链中最薄弱的环节。

电迁移是指导体中电流产生的电子风驱动金属原子发生质量输运的现象。焊料凸点是由两种或多种金属组成的合金，当电流密度足够高时，金属原子会沿电流方向扩散，在下游形成微小凸起，同时在上游留下空位或空洞。电迁移严重时，因导线大幅变细可导致断路，而凸起若桥接相邻导线则会引发短路。

热迁移则是由材料内部两点之间的温度差驱动的物质运动，通常表现为原子从高温区向低温区迁移（也存在例外情况）。这正是封闭区域中的热点比无背面电源分配网络（如前端器件与背面供电网络之间）时更容易演变为严重问题的原因所在。在XPU的倒装芯片BGA中，高电流密度引发硅片侧的焦耳热，进而导致底层焊料凸点中的热迁移。多家芯片制造商已报告处理器和存储芯片FCBGA中出现"枕头头"、桥接和非润湿开路等失效现象，低温焊料或许正是解决这些问题的关键。

STATS ChipPAC公司的Nokibul Islam在一篇近期论文中指出："低温焊料最大的优势在于其较低的熔点，这能够减少半导体器件在组装过程中及组装后所承受的应力，同时带来显著的能耗与成本节约。较低的温度还可降低焊接过程中敏感元器件发生翘曲的风险，从而提升产品可靠性。"

低温焊料可靠性测试的最新成果显示：

SAC305焊料的电迁移由锡铜金属间化合物中铜的迁移主导，其较高的延展性有助于抵抗电迁移失效；

锡铋基焊料的电迁移由铋的扩散主导，可能导致脆性断裂，因此在合金中添加银和镍有助于防止金属疲劳和电迁移，提升可靠性；

亚共晶Sn60Bi40焊料与传统Sn58Bi42相比，电迁移性能有明显改善；

采用强脉冲光（IPL）辐射加热的新型焊接工艺，与传统回流工艺相比，可靠性更高、生产效率更强，且碳足迹更低。

无铅焊料的发展历程

业界对低温焊料的探索始于二十多年前，起因是寻求替代锡铅焊料中有毒铅的方案。

欧盟2006年发布的《限制有害物质指令》（RoHS）推动了全球电子组件焊点中铅的淘汰（航空航天和军事高可靠性应用除外）。由此，SAC305——即含有微量银和铜（质量比：3%银、0.5%铜）的锡合金——成为无铅焊料的主流选择。由于SAC305熔点为217至221℃，远高于传统锡铅焊料183℃的熔点，这一替代过程也推动了对更高耐温性PCB及其他材料的广泛采用。

值得一提的是，回流温度仅为150℃的锡铋（Sn-Bi）基焊料在当时曾是重要的候选方案。然而，当Bi-Sn焊料受到微量铅污染时，会形成稳定的三元金属合金。由于彼时大量设备仍采用含铅表面镀层，污染风险过高，Sn-Bi焊料因此被放弃。

SAC305与Sn-58Bi焊料的比较

由IBM、英特尔、信越电气、铟公司等机构专家组成的iNEMI（国际电子制造倡议）联合工作组，将Sn58-Bi42合金确定为目前最常用的低温无铅焊料。自2015年以来，该工作组持续评估多种候选材料，致力于寻找能够满足大批量组装所需机械、冶金和可靠性要求的SAC305低温直接替代品。Bi-Sn焊料已在PCB级薄板和PCB返修中广泛使用，避免了元器件反复承受高回流温度的影响。

然而，业界尚未就替代方案达成共识。近共晶Sn-Bi基焊料最大的缺陷是脆性倾向，存在可靠性隐患。（共晶点是指固态金属合金能够熔化的最低温度，对应特定成分比例。）鉴于这一脆性特征，工程师正在探索添加少量其他金属（银、铜、镍、锑）的方案，以改善冶金性能及焊料凸点经过完整制程和可靠性测试（包括温度循环、高温存储和跌落冲击测试）后的稳健性。

iNEMI团队对Sn-Bi与SAC305焊料的电迁移行为进行了同等条件下的对比测试，结果显示SAC305的电迁移起始电阻比Bi-Sn高出两个数量级。测试载体为底部端子元器件，元器件与PCB上均设有铜焊盘，焊料凸点在各自对应温度下完成回流，部分焊点经历三种电迁移电流和温度水平的施压，其余焊点则用于测量老化对应力焊点的影响。

电迁移发生时，焊料凸点在高电流和高温作用下电阻升高，空洞在焊点阴极界面（PCB侧）开始形核并扩展。对于Bi-Sn焊料，铋原子由阴极向阳极迁移，一旦形成大空洞，电阻急剧上升，最终引发电气失效。

SAC305合金的电迁移行为已被较为深入地研究：早期电迁移阶段电阻缓慢上升，Cu6Sn5和Cu3Sn金属间化合物从阴极向阳极迁移。在电应力作用下，铜在锡中扩散速度较快，阴极侧锡含量逐渐增加，而阳极侧铜含量增加并形成金属间化合物，使焊料整体电阻上升。空洞在阴极形成并沿金属间化合物与焊料的界面扩展，最终汇合形成长裂纹，导致电气断路。

与SAC305的电迁移由铜原子运动主导不同，Bi-Sn焊料的电迁移由铋原子迁移主导。其过程分为两步：首先铋和锡岛状相发生粗化或生长，电阻出现初步下降；随后铋迁移至阳极，形成连续层并随铋原子替代锡原子而逐渐增厚，电阻线性上升，待可迁移铋耗尽后趋于平稳。

研究人员对添加银（Ag）、铜（Cu）、镍（Ni）和锑（Sb）的Bi-Sn合金进行了测试，包括近共晶和亚共晶两种成分（含40%铋和60%锡）。iNEMI团队采用平面几何结构，在三个温度和三个电流水平下对焊料行为进行测试。

测试结果显示，亚共晶焊料（Sn60Bi40Cu0.5Sb0.03或Sn60Bi40Cu0.5Ni0.3Sb0.5）表现出更好的电迁移行为，但这并非合金化添加的贡献。研究人员指出："亚共晶Sn-Bi合金相较于共晶Sn58Bi合金，具有可测量的更低电迁移速率。合金添加物对电迁移影响可忽略不计。亚共晶焊料电迁移速率更低，是因为其铋含量更低，而铋正是主导电迁移的元素。"

替代焊接方法提升可靠性

BGA封装中焊球开裂是日益突出的可靠性问题，其成因在于BGA封装与PCB之间显著的热膨胀系数（CTE）差异及封装尺寸增大，反复的热应力和电压应力均可引发开裂。三星电子的余明贤（Myeonng-Hyeon Yu）团队将熔点为131℃的低温焊料与标准SAC305进行对比，分别在标准回流炉和强脉冲光（IPL）照射条件下进行处理。研究人员指出："当光照射到封装上时，通过光热效应直接在封装中产生热量，因此无需预热设备，焊接可在短时间内完成，且与回流相比热损失更少，能效更高。"

三星团队不仅比较了焊球材料，还对低温焊锡膏与SAC305焊锡膏进行了对比。回流焊接完成后，样品经历0至125℃、每次循环40分钟的反复温度循环，并通过扫描电子显微镜截面评估损伤程度。结果显示，SAC305焊料和焊锡膏的IPL焊接接头在1900次循环后失效，而回流焊接接头在1200次循环后即失效。IPL焊接接头的裂纹路径更长，因此耐久性更强。"IPL焊接焊点中Ag3Sn析出相的尺寸小于回流焊接，推测这是由于Ag3Sn析出相密集形成，通过弥散强化效应阻碍了裂纹扩展，从而提升了温度循环可靠性。IPL焊接时高于熔点的时间缩短至回流焊接的三分之一，初始冷却速率提高了一倍，因此Ag3Sn析出相更为密集，温度循环可靠性优于回流焊接。"

采用低温焊锡膏与SAC305焊球的混合接头在IPL焊接中同样表现更优。通过提高混合接头的峰值温度，铋扩散进入SAC305焊球，从而提高晶粒密度和可靠性。与全低温焊料接头相比，混合接头中的CTE失配主要集中在下部焊锡膏区域，而全低温焊料接头的变形则分布于整个焊接接头。IPL焊接样品中铋析出相更细小，对焊接接头结构起到明显的强化作用。

光子学应用中的焊料选择

受AI数据中心建设快速增长的驱动，光子学应用对高处理温度尤为敏感，焊料的峰值回流温度对硅光子学器件的性能至关重要。

STATS ChipPAC、长电科技和嘉善复旦研究院的工程师团队（由Nokibul Islam主导）近期发表了一项可靠性研究，对铜焊盘和金焊盘上的Sn-Bi-Ag和Sn-Bi-Ag-Ni焊料的微观结构与可靠性行为进行了比较，旨在为光子学应用筛选适合的低温焊料。研究人员指出："低温焊料的选择标准涵盖机械可靠性、可加工性、环境影响、供应链考量和成本等多个维度。光子学器件须能承受-40℃至85℃的温度循环，这对所有元器件互连均会产生热膨胀系数（CTE）诱导的应力。"

STATS ChipPAC团队研究了Sn-BiAg和SnBiAgNi焊料在倒装芯片工艺、温度循环及高温存储可靠性测试中金属间化合物（IMC）的形成情况，并与SAC305工艺进行基准对比。测试载体为芯片到芯片的芯片级封装，顶部裸片以镀铜焊盘作为凸点下金属层/表面镀层，底部裸片附有焊球。温度循环采用四种顶部和底部无凸点金属层/表面镀层组合（CuSnAg/CuNiAu与Cu/CuNiAu），以较慢的冷却速率进行，以降低CTE差异的影响。

结果表明，由于镍的抑制作用，Cu/NiAu界面处金属间化合物的生长速度慢于铜界面。与SnBiAgNi相比，SnBiAg焊料在所有工艺流程（芯片间焊接、高温存储和温度循环）中铋的分布更为均匀。低温焊料形成的金属间化合物层厚度明显薄于SAC305。所有测试载体均通过了可靠性测试。研究人员得出结论：金属间化合物的生长是评估焊点可靠性的关键因素。

结语

尽管SAC305焊料目前仍是行业的主力选择，但在无法克服SAC305失效问题的情况下，基于锡铋合金的低温焊料正被广泛视为战略性替代方案。这些失效场景包括倒装芯片BGA中的"枕头头"、桥接和非润湿开路等问题，随着封装尺寸不断增大、封装与PCB之间CTE差异持续扩大，以及连接点数量突破1000个，上述问题日益突出。

低温焊料，尤其是SnBiAg合金，提供了大幅降低的回流温度，有效减少了硅片所受应力、降低了回流成本，并减轻了环境负担。这类焊料能够支持更薄、更大、热敏感性更强的封装组装，同时降低封装翘曲这一重要失效诱因。

Q&A

Q1：低温锡铋焊料与SAC305焊料在电迁移性能上有什么区别？

A：SAC305焊料的电迁移主要由铜原子在锡铜金属间化合物中的迁移主导，延展性较高，有助于抵抗电迁移失效。而Sn-Bi焊料的电迁移则由铋原子扩散主导，容易导致脆性断裂。iNEMI的测试表明，SAC305在电迁移起始时的电阻比Bi-Sn高出两个数量级。亚共晶Sn60Bi40焊料由于铋含量更低，电迁移速率优于共晶Sn58Bi42，而添加银、镍等元素对电迁移影响不显著。

Q2：强脉冲光焊接工艺与传统回流焊接相比有哪些优势？

A：强脉冲光（IPL）焊接通过光热效应直接在封装中产生热量，无需预热，焊接时间短，能效更高。三星电子的研究显示，IPL焊接的SAC305焊点在温度循环测试中可耐受1900次循环，而传统回流焊接仅1200次即失效。这是因为IPL焊接的冷却速率更快，Ag3Sn析出相更细小密集，通过弥散强化效应阻碍了裂纹扩展。IPL工艺同样适用于混合接头，可提升焊点整体可靠性。

Q3：为什么低温焊料对硅光子学应用格外重要？

A：硅光子学器件对高温极为敏感，过高的回流温度会直接影响其性能甚至造成损伤。低温焊料的回流温度约为150℃，比SAC305低约70℃，能有效保护温度敏感的光子学器件。此外，光子学器件需承受-40℃至85℃的温度循环，对焊点可靠性要求较高。研究表明，SnBiAg和SnBiAgNi低温焊料形成的金属间化合物层更薄，可靠性测试全部通过，是光子学封装的优选焊料方案。