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這篇文章主要摘取在厚膜電路當(dāng)中共晶焊工藝的描述，涉及芯片背面金屬化層、基板焊區(qū)金屬化層、焊接壓力、焊接氣氛、焊接溫度及焊接時(shí)間。

無(wú)助焊劑的共晶焊方法主要分為兩大類(lèi)：

1、加壓法共晶，一般采用石墨夾具定位厚膜基板和元件，金屬壓塊實(shí)現(xiàn)焊接壓力 ，有效控制真空/氣氛爐內(nèi)氣氛，通過(guò)預(yù)熱、排氣、真空、加溫、降溫和進(jìn)氣等過(guò)程，實(shí)現(xiàn)共晶全過(guò)程；

2、摩擦法共晶，采用鑷子或吸嘴夾持元件，在焊接溫度下，使芯片在基板表面焊區(qū)（已加焊料片）做相對(duì)摩擦，實(shí)現(xiàn)氣氛和氧化物排出，達(dá)到低空洞率焊接。

無(wú)論哪種焊接方式，下述幾個(gè)方面的工藝控制都極為重要：

1）、芯片背面金屬化層；

2）、基板焊區(qū)金屬化層；

3）、焊接壓力（ 主要針對(duì)加壓法共晶）；

4）、焊接氣氛、焊接溫度及焊接時(shí)間；

一、芯片背面金屬化層影響研究

1、芯片背金共晶試驗(yàn)

采用焊料共晶時(shí)，裸芯片背面需要金屬化（簡(jiǎn)稱(chēng)背金），金屬化層分為單層金和多層金，單層金一般是在芯片背面濺射一層金或銀，單層金因在焊接時(shí)很容易被含金或銀焊料融蝕（俗稱(chēng)“吃金”），而導(dǎo)致芯片脫落，單層金芯片一般只適合環(huán)氧樹(shù)脂粘接工藝。而焊接芯片背面一般濺射多層金，常見(jiàn)的鍍層有（從內(nèi)到外）鈦鎳銀（TiNiAg）、鈦鎳金（TiNiAu）等，鈦起到過(guò)渡作用，鎳層起焊接作用，而金或銀層則起防止鎳層氧化的保護(hù)作用。

作為焊接層的鎳層有著至關(guān)重要的作用，其厚度直接影響著焊接空洞率，隨著焊接芯片的尺寸大小，對(duì)鎳層的厚度要求也不相同，一般芯片越大，鍍層要求越厚，芯片越小，則鍍層要求越薄。以常規(guī)尺寸2*1mm的芯片為例，在焊接工藝過(guò)程條件相同情況下，分組進(jìn)行芯片鍍層（TiNiAg）厚度與空洞率的對(duì)比試驗(yàn)研究，結(jié)果見(jiàn)表2。

2、芯片背金共晶試驗(yàn)分析

在共晶時(shí)，熔融焊料首先熔掉芯片背面薄銀層或薄金層，后與焊接層鎳層焊接到一起。通過(guò)上述對(duì)比可知，當(dāng)鎳層厚度較小時(shí)，熔融焊料易從芯片邊緣開(kāi)始“吃”掉芯片鎳層，形成從外到內(nèi)的焊接空洞，之所以從外到內(nèi)部，是由于共晶時(shí)芯片四周界的焊料量要遠(yuǎn)多于芯片底部，熔融能力要比芯片底部中心更強(qiáng)。

二、基板焊區(qū)金屬化層影響研究

1、基板焊區(qū)金屬化層共晶試驗(yàn)

相對(duì)于裸芯片濺射方式背金不同，厚膜混合電路一般采用絲網(wǎng)印刷的方式在陶瓷、氮化鋁等基板表面沉積一層金屬化層焊區(qū)，常見(jiàn)的焊區(qū)金屬層有金、銀和鉑銀等，一般單純的金屬層不適合焊接，因焊接過(guò)程中很容易被焊料熔融掉，因而基板焊區(qū)常選擇摻雜阻焊金屬，如鉑銀，但這類(lèi)金屬層的焊區(qū)厚度也至關(guān)重要。以不同厚度的鉑銀焊區(qū)為例，在共晶工藝過(guò)程條件相同情況下，進(jìn)行金屬層厚度與空洞率對(duì)比試驗(yàn)研究，結(jié)果見(jiàn)表3，X射線照相圖片如圖3所示。

2、焊接壓力共晶試驗(yàn)分析

在壓力不足時(shí)，共晶時(shí)熔融焊料隨機(jī)停留在某個(gè)區(qū)域，隨著壓力逐漸增加，焊料受壓后基本均勻分布到芯片底部，并通過(guò)擠壓逐漸排除隨機(jī)分布的空洞。

四、焊接氣氛、焊接溫度及焊接時(shí)間研究

對(duì)于無(wú)助焊劑共晶焊，氣氛保護(hù)尤為重要。在共晶時(shí)，如果惰性氣氛不純，混入氧氣，當(dāng)焊料熔融后，很快在其表面形成氧化膜，使焊料由于表面張力而縮成球狀，嚴(yán)重影響焊料與焊接體的浸潤(rùn)效果，并大量增加焊接空洞率，甚至無(wú)法焊接。

對(duì)于焊接溫度及焊接時(shí)間，焊接溫度過(guò)高，焊接時(shí)間過(guò)長(zhǎng)均可加速上述焊接空洞出現(xiàn)。一般而言，共晶爐設(shè)定的焊接溫度比焊料合金的共融溫度要高30-50度，但在滿足焊接可靠性的情況下，焊接溫度越低越好，焊接時(shí)間越短越好。對(duì)于摩擦法多芯片共晶，應(yīng)依次完成所有芯片共晶，焊接總時(shí)間應(yīng)控制好，避免當(dāng)最后一個(gè)芯片完成后，第1個(gè)芯片因焊料長(zhǎng)時(shí)間熔融芯片鍍層或基片金屬層而脫落，時(shí)間控制是多芯片共晶的難點(diǎn)，根據(jù)測(cè)試，采用Au80Sn20焊料共晶，總峰值焊接時(shí)間應(yīng)嚴(yán)格控制在3min以?xún)?nèi)。

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