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共晶是指在相對(duì)較低的溫度下共晶焊料發(fā)生共晶物熔合的現(xiàn)象，共晶合金直接從固態(tài)變化到液態(tài)，而不經(jīng)過(guò)塑性階段，其熱導(dǎo)率、電阻、剪切力、可靠性等均優(yōu)于傳統(tǒng)的環(huán)氧粘接。

共晶焊接由于具有焊接強(qiáng)度高、剪切力強(qiáng)、連接電阻小、傳熱效率高等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于高頻、大功率器件和LED等高散熱要求的器件焊接中。

常規(guī)的自動(dòng)貼片機(jī)，壓力控制范圍為10-250g，每次貼放均可編程控制，并具有壓力實(shí)時(shí)反饋系統(tǒng)，熱臺(tái)為脈沖加熱方式，具有實(shí)時(shí)溫度檢測(cè)系統(tǒng)。原材料清洗采用UV紫外光清洗機(jī)、BT等離子清洗機(jī)。

機(jī)器首先將載體、焊片、芯片依次放置脈沖加熱臺(tái)上，利用真空吸孔或工裝將載體固定。當(dāng)載體放置在熱臺(tái)上時(shí)熱臺(tái)四周開(kāi)始釋放氮?dú)?，?dāng)芯片放置在焊片上時(shí)熱臺(tái)開(kāi)始按照設(shè)定的溫度曲線開(kāi)始加熱，焊錫熔化后吸頭刮擦芯片使焊錫充分浸潤(rùn)。刮擦次數(shù)、路徑、幅度、壓力等參數(shù)可以設(shè)定。降溫焊料凝固后，機(jī)器自動(dòng)將燒結(jié)好的芯片放回華夫料盒中。

對(duì)于實(shí)驗(yàn)材料，不同尺寸的金錫焊料采用劃片機(jī)進(jìn)行機(jī)械切割，之后進(jìn)行酒精超聲清洗。

載體采用1：2：1的Cu/Mo/Cu形式，表面濺射N(xiāo)i、Pd、Au，在應(yīng)用前經(jīng)過(guò)酒精超聲---烘干---紫外光清洗---等離子清洗工序后備用。

芯片采用GaAs功率芯片。實(shí)驗(yàn)材料備好后以華夫盒形式放入貼片機(jī)供料臺(tái)上，然后通過(guò)編程來(lái)控制溫度曲線、壓力、刮擦等參數(shù)，整個(gè)共晶過(guò)程由貼片機(jī)自動(dòng)完成，減少人為因此影響。共晶完成之后測(cè)量剪切力。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

共晶溫度曲線設(shè)定：

共晶溫度曲線主要包括三個(gè)階段：預(yù)熱階段、共晶階段、冷卻階段。預(yù)熱階段主要作用是去除器件內(nèi)水汽以及減小熱失配應(yīng)力；共晶階段主要作用為共晶層熔融合金的形成，是共晶焊過(guò)程最重要的階段；冷卻階段為共晶完成后器件散熱降溫過(guò)程，冷卻溫度及速率會(huì)影響器件內(nèi)部余應(yīng)力的大小。典型溫度曲線如圖1所示。

其中，T1為預(yù)熱溫度，一般比共晶溫度

T2低30-60度，T2為共晶溫度，T3為冷卻溫度，可設(shè)置為200-260度。由于共晶溫度T2對(duì)共晶層質(zhì)量影響最為顯著，對(duì)于T2采用單因素對(duì)比試驗(yàn)進(jìn)行確定。試驗(yàn)結(jié)果分析可知，熱臺(tái)溫度為320度時(shí)焊料完全熔融，可進(jìn)行共晶焊接，為了增加金錫焊料浸潤(rùn)性、流動(dòng)性，在金錫共晶焊時(shí)將共晶溫度設(shè)為320-330度。

另外，對(duì)于共晶溫度T2保持時(shí)間，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，使用掃描電子顯微鏡觀察不同T2時(shí)間下共晶層組織情況，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

通過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，隨著共晶時(shí)間的增加，IMC層厚度由0.373um逐漸增至1.370um，共晶160s之后IMC厚度增長(zhǎng)緩慢。通過(guò)能譜分析可知，在焊料/鎳界面處形成由（Au,Ni)Sn和（Ni,Au)3Sn2組成的IMC復(fù)合層。分析可知，在共晶過(guò)程中，合金Ni元素逐漸向AuSn合金層擴(kuò)散，使合金組織中固溶了少量Ni的（Au，Ni）Sn層逐漸增大，這導(dǎo)致IMC層的增長(zhǎng)。

共晶焊接中異質(zhì)金屬的連接需要IMC來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此一定厚度的IMC層有助于提高焊接質(zhì)量。但是IMC層是一種脆性化合物，過(guò)厚的IMC層會(huì)顯著降低焊接的剪切強(qiáng)度。為保證形成適量厚度的IMC層，控制整體共晶時(shí)間為2-3min，其中共晶熔融時(shí)間為15-30S，此條件下IMC層厚度可控制在0.3-0.9um之間，共晶芯片剪切強(qiáng)度超過(guò)9.15Kgf。

共晶焊接相對(duì)于環(huán)氧粘接優(yōu)勢(shì)在于其熱阻更小，能滿足大功率芯片的散熱要求，因此共晶焊接的熱阻情況十分重要。對(duì)于共晶焊結(jié)構(gòu)的熱阻，可通過(guò)熱阻公式進(jìn)行分析：R=h/K.S，其中R為熱阻值，h為焊料層厚度，K為AuSn20焊料熱導(dǎo)率，S為焊料截面積；

對(duì)于整體結(jié)構(gòu)熱阻，其模型如圖3所示。分析過(guò)程按有源區(qū)擴(kuò)散傳熱計(jì)算，按45度擴(kuò)散計(jì)劃，截面積按有效面積計(jì)算，即梯形面的中間剖面長(zhǎng)寬積計(jì)劃。

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