AI 芯片封装：如何选择合适的锡膏

在当今科技飞速发展的时代，AI 芯片作为人工智能技术的核心硬件，其性能的优劣直接影响着整个 AI 系统的运行效率。而芯片封装作为保护芯片并实现电气连接的关键环节，锡膏的选择显得尤为重要。合适的锡膏不仅能确保芯片与电路板之间稳定可靠的电气连接，还能有效提升芯片的散热性能，从而保障 AI 芯片在高负荷运行下的稳定性。本文将深入探讨 AI 芯片封装中锡膏选择的要点，为相关从业者提供有益的参考。

AI 芯片封装对锡膏的特殊要求

AI 芯片相较于传统芯片，具有更高的功率密度和运算速度，这使得其在运行过程中会产生大量的热量。因此，用于 AI 芯片封装的锡膏需要具备出色的导热性能，以便能够快速将芯片产生的热量传导出去，降低芯片的工作温度，防止因过热而导致性能下降甚至损坏。同时，由于 AI 芯片通常采用先进的封装技术，如倒装芯片(Flip Chip)、球栅阵列(BGA)等，这些封装方式对焊点的精度和可靠性提出了极高的要求。锡膏需要在印刷过程中能够精准地填充微小的焊盘，并且在回流焊后形成牢固、可靠的焊点，以承受芯片在长期使用过程中的机械应力和热应力。此外，随着电子产品朝着小型化、轻量化的方向发展，AI 芯片的封装密度也越来越高，这就要求锡膏具有良好的印刷性能和触变性，能够在印刷过程中保持形状稳定，避免出现坍塌、桥连等缺陷。

锡膏的主要类型及特性

按合金成分分类

锡铅(Sn - Pb)锡膏：曾经应用广泛，其熔点较低，通常在 183℃(Sn63Pb37)左右，焊接时对元器件与 PCB 的热冲击小，特别适用于对热敏感的元件。熔化后的流动性佳，能充分填充焊盘与元件引脚间隙，形成致密、均匀的焊点，有效降低虚焊、假焊的概率。然而，由于铅是一种有毒重金属，对环境和人体健康存在潜在危害，随着环保法规的日益严格，锡铅锡膏的使用受到了极大的限制，目前仅在一些对环保要求不高且成本控制极为严格的消费电子产品中少量应用。

无铅(Sn - Ag - Cu 系)锡膏：契合 RoHS 环保指令，不含铅成分，满足电子产品绿色制造的趋势，成为目前市场上的主流锡膏类型。焊接后机械强度高，其抗拉强度、剪切强度优于锡铅锡膏，能够更好地抵御产品使用过程中的振动、冲击等机械应力，从而延长产品的使用寿命。不过，无铅锡膏的熔点较高，一般在 217 - 227℃，这对回流焊设备的精度和温控要求更高，同时元件与 PCB 也需耐受更高的焊接温度。在高温焊接过程中，助焊剂容易提前失效，因此需要选用高活性、高热稳定性的助焊剂，否则易出现焊点氧化、润湿不良等问题。无铅锡膏广泛应用于高端电子产品，如手机、电脑、汽车电子以及 AI 芯片封装等领域，尽管成本较锡铅锡膏高，但能保障产品的高性能与环保合规。

按熔点分类

高温锡膏：合金成分如锡 99 银 0.3 铜 0.7、锡 96.5 银 3 铜 0.5 等，其熔点为 210 - 227℃。适用于需要承受较高工作温度和机械应力的场景，在 AI 芯片封装中，对于一些功率较大、散热要求高的芯片，高温锡膏能够形成更加稳定、可靠的焊点，确保芯片在长期高负荷运行下的电气连接稳定性。但高温焊接过程对芯片和封装材料的热冲击较大，需要确保芯片和封装材料具备足够的耐热性能。

低温锡膏：合金成分为锡 42 铋 58，其熔点为 138℃。由于熔点低，在焊接过程中对芯片和基板的热损伤较小，适合对热敏感的元件以及一些不适合承受高温的封装材料。在 AI 芯片封装中，对于一些集成了多种不同类型芯片的异构封装系统，其中部分芯片可能对高温较为敏感，此时低温锡膏就可以发挥其优势，在不影响其他芯片性能的前提下完成焊接。然而，低温锡膏的焊点强度相对较低，在一些对焊点机械强度要求极高的应用场景中可能不太适用。

按焊剂活性分类

无活性(R)锡膏：几乎不含有活性成分，焊接后残留物极少，对电子元件的腐蚀性极低。适用于航天、航空等对电子产品可靠性要求极高且对残留物控制极为严格的领域。在 AI 芯片封装中，对于一些对电磁干扰极为敏感的芯片，使用无活性锡膏可以避免因焊剂残留而产生的潜在电磁干扰问题，确保芯片的信号传输质量。但由于其活性低，对焊接表面的清洁度要求极高，焊接工艺难度较大。

中等活性(RMA)锡膏：具有一定的活性，能够有效去除焊件表面的氧化物，同时残留物相对较少，且腐蚀性较低。常用于军事和其他高可靠性电路组件的焊接。在 AI 芯片封装中，对于大多数普通应用场景，中等活性锡膏能够在保证焊接质量的同时，满足对残留物和可靠性的要求，是一种较为常用的选择。

活性(RA)锡膏：活性较高，能够快速有效地去除焊件表面的氧化物，焊接性能良好，“上锡速度” 快。但焊接后残留物相对较多，且可能具有一定的腐蚀性，需要进行清洗处理。主要应用于消费类电子产品的焊接，在 AI 芯片封装中，如果后续有完善的清洗工艺，且对焊接速度和成本有较高要求时，活性锡膏也可考虑使用。

如何选择适合 AI 芯片封装的锡膏

根据芯片的功率和散热需求选择

对于功率较大、散热要求高的 AI 芯片，应优先选择导热性能好的锡膏，如添加了纳米金属颗粒(如 Cu 纳米颗粒<50nm)的锡膏，可提升导热率 10% - 15%;或采用复合材料，如 SAC305 + Al₂O₃纳米颗粒(<100nm)的锡膏，其导热率可达 60 - 80 W/m・K，能够更好地满足高功率 AI 芯片的散热需求，确保芯片在运行过程中保持较低的温度，从而稳定性能。例如，在数据中心的 GPU 芯片封装中，由于 GPU 需要处理大量的数据，功率消耗大且发热严重，此时选择高导热率的锡膏就显得尤为重要。

根据封装工艺和精度要求选择

倒装芯片(Flip Chip)封装：通常需要使用颗粒度细的锡膏，如 Type 5 适用于间距 0.3 - 0.4mm 的倒装芯片、μBump，印刷精度 ±10μm;Type 6 - 8 适用于间距<0.3mm 的倒装芯片、μBump，印刷精度 ±5μm。对于一些先进的 AI 芯片采用的超精细间距倒装芯片封装，甚至可能需要使用纳米级粉末(T9、T10 型号超微焊粉，粒径<5μm)的锡膏，但这种锡膏需要特殊设备(如激光转印)支持。同时，为了确保焊点的可靠性，还需要配合底部填充胶，推荐使用环氧树脂基胶，固化温度需低于 120°C，以避免二次热损伤。

球栅阵列(BGA)封装：对于间距 0.4 - 0.6mm 的 BGA 封装，可选择 Type 4 锡膏，印刷精度 ±10μm。在 BGA 封装过程中，锡膏的印刷精度和一致性对焊点质量影响很大，因此需要选择能够满足印刷精度要求且具有良好触变性的锡膏，以防止在印刷过程中出现锡膏坍塌或桥连等问题。

根据可靠性和稳定性要求选择

在考虑锡膏的合金成分时，对于可靠性要求严苛的 AI 芯片应用场景，如数据中心的 AI 服务器芯片，可选择 SAC405 锡膏，其银含量提升 1%，机械强度提高约 15%，能更好地承受长期使用过程中的机械应力和热应力。但由于成本增加 20% - 30%，在一些对成本较为敏感但仍需保证一定可靠性的场景中，可选择成本与性能平衡的 SAC305 锡膏，适用于大多数 AI 芯片，尤其是需要长期稳定运行的设备。此外，还可考虑一些替代方案，如 SAC - X 系列(如 SAC - Q，含微量 Ni、Sb/Bi)，通过合金化优化抗热疲劳性能，成本介于 SAC305 与 SAC405 之间。同时，要关注锡膏的活性等级和残留物控制，建议选择 M(中等活性)或 L(低活性)的锡膏，避免高活性焊剂腐蚀敏感元件，并确保锡膏通过离子污染测试(如 IPC - TM - 650 2.3.25)，卤化物当量<1.5μg/cm²，以保证焊点的长期稳定性。

考虑环保要求

随着环保意识的不断提高，电子产品的环保标准也日益严格。在 AI 芯片封装中，应选择符合 RoHS 2.0 标准的锡膏，避免使用含卤助焊剂，以减少对环境的危害。目前市场上主流的无铅锡膏，如 Sn - Ag - Cu 系锡膏，不仅满足环保要求，而且在性能上也能够满足 AI 芯片封装的需求。

结论

在 AI 芯片封装过程中，锡膏的选择是一个综合考量多方面因素的过程。需要根据芯片的功率密度、散热需求、封装工艺精度以及可靠性和环保要求等，权衡不同类型锡膏的特性，选择最适合的锡膏产品。同时，随着 AI 技术的不断发展和芯片封装工艺的持续创新，锡膏的研发也在不断进步，未来有望出现更多性能优异、满足 AI 芯片复杂封装需求的新型锡膏产品，为 AI 芯片的性能提升和可靠性保障提供更有力的支持。