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微組裝領(lǐng)域知識研討分享

本篇主要介紹微波芯片全自動金錫共晶焊接工藝。

采用全自動設(shè)備對微波砷化鎵芯片與可伐載體進行金錫共晶焊接，并利用顯微鏡、X-ray測試、推拉力測試等方法對樣件外觀、空洞率和焊接強度進行檢測 。

多芯片組件是當前微波毫米波電子系統(tǒng)領(lǐng)域的代表產(chǎn)品，可滿足軍用、宇航電子裝備和巨型計算機微小型化、高可靠、高性能等方面的需求。目前器件微組裝主要有環(huán)氧導電膠粘接和共晶焊接兩種方式。

與傳統(tǒng)的環(huán)氧導電膠粘接相比（如表1），共晶焊接具有熱導率高、電阻率低、微波損耗小、散熱均勻、可靠性強和剪切強度高等優(yōu)點，在高頻器件、大功率器件、對散熱要求高器件的組裝方面具有很大優(yōu)勢。

微波芯片采用金錫共晶焊接時，有手動和自動兩種方式。手動摩擦焊接時用鑷子夾持住芯片，使其與涂覆有焊料的載體作相對運動，去除接觸面的氧化物，通過摩擦迅速形成互聯(lián)界面。該方法雖然裝置簡單、操作方式、靈活性大、適應(yīng)不同尺寸芯片，但缺點是焊接精度和一致性差，芯片表面易被鑷子劃傷或產(chǎn)生崩邊，且對焊接人員技能要求高。

自動共晶焊接可通過全自動貼裝機實現(xiàn)，優(yōu)點是可準確定位到芯片焊接位置，焊接溢出較穩(wěn)定，組裝一致性高，不損傷芯片，生產(chǎn)效率高，可進行大批量生產(chǎn)。但缺點是對物料一致性要求和對設(shè)備吸嘴與芯片匹配度的要求高。下面對微波砷化鎵芯片與可伐載體進行自動金錫共晶焊接進行分析，對影響共晶焊接質(zhì)量的幾個工藝參數(shù)（焊接方式、焊片裁切方式、焊接尺寸、摩擦幅度等）進行了研究，以滿足高可靠微波砷化鎵芯片共晶焊工藝的工程化應(yīng)用需求。

一、共晶焊接原理

共晶焊接是一種低熔點的合金焊接，是在相對較低的溫度下共晶焊料發(fā)生共晶物熔合的現(xiàn)象，共晶合金不經(jīng)過塑性階段直接從固態(tài)變成液態(tài)。金錫共晶焊接主要過程為熔融焊料在基板表面的潤濕和鋪展，繼而芯片和基板表面的金有少量會擴散至熔融焊料，冷卻后會形成合金焊料與金層之間原子間的結(jié)合，完成芯片與基板的共晶焊接。

二、全自動共晶焊接工藝介紹

1、全自動貼裝原理

與手動摩擦焊接不同的是，全自動共晶焊接時設(shè)備只需要執(zhí)行編輯好的程序和參數(shù)設(shè)置即可。其工作原理是：利用物料編程概念，按圖像識別原理，使用坐標系統(tǒng)定位到目標物料，設(shè)置動作參數(shù)，完成全自動共晶焊接過程。

2、焊接過程

全自動共晶焊接整個過程包括：焊接前準備工件（包括產(chǎn)品組裝圖識別、設(shè)備夾持工具調(diào)節(jié)、芯片用吸嘴選?。?，物料準備（熱沉清洗、焊片裁切清洗、物料擺放、吸嘴校準），編輯程序（包括加熱曲線設(shè)置、焊接工藝參數(shù)設(shè)置），運行程序執(zhí)行焊接操作，效果檢查（首件外觀及空洞率，其余樣件外觀）。其中，吸嘴執(zhí)行的動作依次為吸取并放置熱沉，吸取并放置焊片，吸取芯片--摩擦焊接，焊接熱沉組件吸取并放置到凝膠盒中。

3、吸嘴選用

全自動焊接過程中，需要根據(jù)不同的器件（微波集成電路微帶（MIC）片、熱沉、焊片、芯片、焊接組件）選擇對應(yīng)的吸嘴，原則是：吸嘴制造精度高，耐高溫，尺寸與器件匹配，使用過程不會造成器件損傷等。

不同結(jié)構(gòu)吸嘴的具體使用情況見表2.

由于微波砷化鎵芯片表面存在空氣橋，考慮吸嘴與芯片匹配時，選擇摩擦焊接方式及兩邊型吸嘴可實現(xiàn)“一對多”，成本低，故焊接時芯片用兩邊型吸嘴，該吸嘴具體結(jié)構(gòu)如圖2所示

4、焊接效果影響因素

4.1焊接方式

目前全自動共晶焊接具有兩種方式:靜壓與摩擦。靜壓方式下焊接時，設(shè)吸嘴與器件表面接觸，通過施加一定的壓力使載體和器件底面之間形成緊密的接觸。摩擦方式下焊接時，設(shè)備吸嘴則與芯片一組對邊接觸，并結(jié)合真空吸附，通過控制摩擦次數(shù)、摩擦幅度、摩擦速度，使芯片與載體作相對運動，在去除接觸面上的氧化物的同時，迅速形成互聯(lián)界面。

采用上述兩種方法對DB衰減器在可伐載體上進行焊接，結(jié)果見表3及圖3.

靜壓時，衰減器焊接后發(fā)生傾斜的原因可能是與靜壓方式自身特點有關(guān)。當衰減器置于焊片上后便觸發(fā)脈沖加熱曲線升溫，使焊料熔融，DB衰減器容易在該階段發(fā)生傾斜，甚至由于載體潤濕不佳，焊料鋪展的幅度受到影響，進而導致焊料堆積，該現(xiàn)象不利于多芯片焊接。結(jié)合實際生產(chǎn)中載體上為多芯片布局的情況，焊接空間受限制，因此認為微波砷化鎵芯片合適的焊接方式為摩擦焊接。

4.2焊片裁切方式

全自動設(shè)備焊接時，使用的是8020金錫焊片。焊接時考慮溢出，需要保證焊片與芯片的尺寸匹配，因此需要對大尺寸焊片進行裁切。鑒于金錫焊片本身較薄，脆性大，其裁切方式主要包括手工裁切（手術(shù)刀片）、激光裁切、預成型。三種方式特點見表4.

使用不同方式裁切的焊片進行共晶焊接試驗，焊接結(jié)果如圖4所示：各樣件焊料溢出均符合GJB548B-2005規(guī)范要求，X-ray檢測結(jié)果都滿足要求，但有所差異。各樣件的剪切力如圖5所示：剪切力最小為111.9N，激光裁切并刮除邊緣的方式與手工裁切的剪切力基本相當。失效形式都是芯片本體底座脫離，在載體上有一定殘留，面積在10-50%之間。

進一步對比X-ray檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)：使用激光裁切焊片焊接后，在焊片輪廓周圍出現(xiàn)不連續(xù)的空洞，通過載體上的焊片熔融試驗，該空洞是激光裁切焊片時在焊片邊緣產(chǎn)生的氧化物，在焊接時局部潤濕不良造成的，會影響剪切力。而手工裁剪的焊片明顯不存在此類問題，孔洞分布較為細小均勻，剪切力相對高。

結(jié)合上述試驗結(jié)果能夠推測設(shè)備使用預成型焊片進行焊接，焊接外觀、空洞率及剪切力都會滿足要求，與手工裁剪的焊片焊接效果相當或更優(yōu)。

鑒于全自動共晶焊接時設(shè)備對焊片一致性要求較高，同時對焊片準備效率要求也高。推薦焊片裁切方式為：

1）針對大批量的芯片焊接，建議購買預成型焊片；

2）針對小批量、芯片焊接空洞率要求不高的芯片焊接，建議激光裁切焊片（刮除邊緣后使用）；

3）小批量、芯片焊接空洞率要求高的芯片焊接，建議手工裁切；

4.3焊片尺寸及摩擦幅度

在保證載體潤濕良好、氮氣氣氛及焊接溫度曲線優(yōu)化的情況下，結(jié)合4.2的焊接試驗結(jié)果，焊片尺寸與摩擦幅度對焊接效果影響較大。

根據(jù)李孝軒的研究，焊接后吸嘴撤走，芯片有“浮起”的現(xiàn)象，被擠出的液體焊料由于毛細作用，重新被吸到芯片和載體縫隙間，液體焊料的浮力使得芯片浮起，導致焊料合金層中的氣體增多及參與氣體聚集，導致大氣孔產(chǎn)生。因此，焊片尺寸需要與芯片匹配。否則，若焊片尺寸過大，會因焊料較多造成大空洞率，焊料溢出較多，影響其他器件貼裝和組裝的位置精度。若焊片尺寸過小，焊料的溢出量可能達不到檢驗要求，甚至會導致空洞率過大。

摩擦幅度指的是焊接時吸嘴夾持芯片在摩擦方向上的移動幅度。摩擦幅度較小時，焊接時無法去除焊料表面氧化膜，摩擦不充分導致焊接溢出不充分，達不到外觀及空洞率檢驗要求；摩擦幅度過大時，會導致焊料溢出較大，影響附近器件的組裝，或者造成已焊接芯片被“頂”開原位置而影響組裝布局。

選擇不同尺寸的焊片及摩擦幅度進行組合試驗，結(jié)果見表5與圖6.

結(jié)合表6的試驗結(jié)果，焊接時焊片尺寸范圍為65-80%，摩擦幅度范圍為50-114um，其焊接效果都可以滿足檢驗要求。實際生產(chǎn)過程中可根據(jù)載體的潤濕情況及焊接效果進行參數(shù)選擇。

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