芯片真空金錫共晶焊接中的氣壓控制

轉(zhuǎn)自：半導(dǎo)體封裝工程師之家，原創(chuàng)：海綿寶寶的耳朵，作者：洪火鋒

摘要：

 真空共晶焊接是用真空共晶爐實(shí)現(xiàn)芯片與載體互連的一種重要的焊接工藝。對(duì)于需要共晶的芯片，其與載體間共晶焊接的空洞率，會(huì)直接影響到芯片工作時(shí)的散熱及其輸出功率。重點(diǎn)針對(duì)無(wú)工裝施加壓力條件下真空共晶爐內(nèi)抽真空、加壓、泄壓等工藝展開(kāi)試驗(yàn)研究，分析不同的爐內(nèi)氣壓壓強(qiáng)與空洞率之間的關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果表明，在焊料熔化形成空洞時(shí)增加氣壓、在焊料凝固后排氣降壓，對(duì)降低焊接空洞率有明顯改善。

1 引言

 隨著通信行業(yè)的快速發(fā)展，各種微波系統(tǒng)、模塊的工作頻率越來(lái)越高，微波多芯片組件（尤其毫米波TR組件）憑借其高密度、高性能、高可靠性、重量輕、體積小等特點(diǎn)被廣泛地應(yīng)用于航空航天、軍用通信等領(lǐng)域。微波多芯片組件的實(shí)現(xiàn)主要建立在微組裝工藝技術(shù)的基礎(chǔ)上，共晶是微組裝技術(shù)中實(shí)現(xiàn)芯片與載體互連的一種重要的焊接工藝，具有良好導(dǎo)電、導(dǎo)熱的特點(diǎn)，充分保障了芯片的接地、散熱特性，對(duì)芯片的電性能的實(shí)現(xiàn)以及穩(wěn)定工作有著至關(guān)重要的作用，被廣泛應(yīng)用于毫米波高頻段、大功率微波器件中。

真空共晶焊接工藝技術(shù)中影響焊接質(zhì)量的主要參數(shù)包括焊接溫度、焊接時(shí)間、焊接件上壓力、焊接氛圍等因素，目前傳統(tǒng)的芯片真空共晶焊接工藝是通過(guò)在芯片上設(shè)計(jì)工裝施加壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)的，并且其對(duì)降低共晶焊接空洞率有著非常突出的作用，然而對(duì)于一些表面對(duì)壓力敏感的芯片（如存在多處空氣橋而無(wú)施壓空間的砷化鎵芯片等）而言，焊接過(guò)程中在不通過(guò)工裝施加壓力的情況下對(duì)芯片共晶焊接的空洞率進(jìn)行優(yōu)化控制至關(guān)重要。

2 試驗(yàn)方法與過(guò)程

 本文采用薄膜陶瓷基片替代芯片進(jìn)行模擬試驗(yàn)，針對(duì)在真空共晶焊接過(guò)程中，在不同升溫時(shí)段對(duì)真空共晶爐進(jìn)行抽真空、充氮?dú)?，通過(guò)樣件的檢測(cè)分析不同的爐內(nèi)氣壓對(duì)共晶焊接的影響，并在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。參數(shù)確認(rèn)后，通過(guò)實(shí)際芯片的空洞率的測(cè)試來(lái)驗(yàn)證試驗(yàn)情況，獲取低空洞率的芯片焊接。

2.1 試驗(yàn)材料及準(zhǔn)備

 本文所用的試驗(yàn)樣件材料的外形示意圖如圖1所示，具體材料種類(lèi)及特性見(jiàn)表1。

2.2 試驗(yàn)方法及規(guī)劃

 真空共晶焊接是利用并有效控制真空共晶爐內(nèi)氣壓，大致通過(guò)預(yù)熱、抽真空、升溫、降溫、充氣、排氣等過(guò)程，設(shè)置出相應(yīng)的溫度、氣壓與時(shí)間的控制曲線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)共晶的過(guò)程。 

首先對(duì)載體、薄膜陶瓷基片進(jìn)行物理清洗，再利用等離子清洗機(jī)清洗兩者待焊接面（射頻功率：500W，清洗時(shí)間：5分鐘）；然后將預(yù)成型焊料片、薄膜陶瓷基片、載體依次放入共晶爐內(nèi)的石墨載板上；運(yùn)行設(shè)置的設(shè)備程序完成共晶焊接；將焊接完成的樣件經(jīng)過(guò)顯微鏡目檢，觀察薄膜陶瓷基片四周溢出的金錫焊料是否熔化充分、連續(xù)，色澤光亮；最后經(jīng)X射線(xiàn)設(shè)備檢測(cè)焊接空洞率（內(nèi)控空洞要求：空洞率小于15%且無(wú)貫穿性空洞）。 

對(duì)任何一種焊接件而言，其外形、重量、材料、熱容等因素都不同，首先針對(duì)試驗(yàn)樣件摸索出常壓下共晶爐的溫度曲線(xiàn)，以此開(kāi)展后續(xù)試驗(yàn)。在金錫焊料未發(fā)生熔化時(shí)，真空共晶爐內(nèi)氣氛環(huán)境（無(wú)論真空或者是高氣體壓力）會(huì)對(duì)溫度分布產(chǎn)生影響，但此時(shí)尚未形成空洞；而在焊料熔融后，真空共晶爐內(nèi)氣氛環(huán)境開(kāi)始對(duì)空洞率產(chǎn)生影響。依次開(kāi)展全過(guò)程真空環(huán)境的共晶焊接，熔融前加壓并在熔融中真空的共晶焊接，熔融前加壓并在熔融中排氣降壓的共晶焊接，以及熔融中加壓的共晶焊接。

2.3 試驗(yàn)過(guò)程

 2.3.1 常壓下溫度曲線(xiàn)的確定

經(jīng)多次保持爐內(nèi)氣壓為常壓（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）的共晶焊接試驗(yàn)，確定樣件常壓下溫度-時(shí)間（溫時(shí)）曲線(xiàn)，如圖2所示。在該溫時(shí)曲線(xiàn)下，薄膜陶瓷基片下的金錫焊料熔化充分并且色澤光亮，同時(shí)焊縫處焊料流淌均勻、連續(xù)。 

考慮到真空環(huán)境下熱傳導(dǎo)會(huì)降低以及注入氮?dú)鈺r(shí)會(huì)吸走一部分熱量，后續(xù)試驗(yàn)設(shè)定的最高溫度及焊接保溫時(shí)間會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的小幅度調(diào)整。

2.3.2 全過(guò)程真空環(huán)境的共晶焊接

 在保持溫時(shí)曲線(xiàn)不變，全過(guò)程保持真空且焊片與載體貼合緊密，無(wú)明顯縫隙。其效果見(jiàn)圖3所示。金錫焊料熔化不充分，表面全部都是“褶皺”，不夠“圓潤(rùn)”，且無(wú)光澤，屬于明顯欠焊，導(dǎo)致欠焊的主要原因是在真空環(huán)境下，熱量傳導(dǎo)的媒介減少，熱傳導(dǎo)效率降低，溫度相對(duì)較低導(dǎo)致。 

2.3.3 熔融前加壓并在熔融中真空的共晶焊接

 鑒于全過(guò)程真空環(huán)境下焊接所得結(jié)果，為了增加熱傳導(dǎo)，在焊料熔融前充氮?dú)?，如圖4中共晶焊接程序曲線(xiàn)所示，在熔融前加壓并在熔融中保持真空，該組試驗(yàn)件金錫焊料均熔化充分，色澤光亮，圓潤(rùn)，但是基片四周的焊料熔化不夠連續(xù)，出現(xiàn)局部斷點(diǎn)，而且在X射線(xiàn)設(shè)備檢測(cè)下均有少許空洞，其檢測(cè)的空洞率值約為10.2%。

2.3.4 熔融前加壓并在熔融中排氣降壓的共晶焊接

 為了與熔融前加壓熔融中保持真空的焊接做比對(duì)，嘗試在熔融前加壓并在熔融中進(jìn)行排氣降壓進(jìn)行試驗(yàn)，共晶焊接程序曲線(xiàn)如圖5所示，該組試驗(yàn)件金錫焊料均熔化充分，色澤光亮，在X射線(xiàn)設(shè)備檢測(cè)下空洞非常明顯，其檢測(cè)的空洞率值約為34.5%，呈惡化趨勢(shì)，但是基片四周的焊料熔化連續(xù)。

比對(duì)不難發(fā)現(xiàn)：在保持氮?dú)夥諊碌墓簿Ш附雍噶稀傲魈市浴备泳鶆?，基片四周的焊料熔化更加連續(xù)。

2.3.5熔融中加壓的共晶焊接

熔融前加壓并在熔融中進(jìn)行排氣降壓的試驗(yàn)結(jié)果表明，共晶焊接需要在保持氮?dú)饧訅旱姆諊?，嘗試在熔融過(guò)程中加壓并在焊料凝固前排氣降壓，如圖6中所示共晶焊接程序曲線(xiàn)進(jìn)行試驗(yàn)，該組試驗(yàn)件金錫焊料均熔化充分，色澤光亮，焊料熔化連續(xù)，但在X射線(xiàn)設(shè)備檢測(cè)下空洞非常明顯，其檢測(cè)的空洞率值約為26.7%。 

鑒于熔融中加壓并在焊料凝固前排氣降壓的試驗(yàn)結(jié)果，嘗試將熔化過(guò)程中加壓的時(shí)間延長(zhǎng)，選擇在熔融中（焊料已熔化）進(jìn)行加壓，焊料凝固后排氣降壓進(jìn)行試驗(yàn)，如圖7、8中所示共晶焊接程序曲線(xiàn)進(jìn)行試驗(yàn)。 

圖7是加壓壓強(qiáng)為0.31MPa的情況，圖8為加壓壓強(qiáng)為0.38MPa的情況，在溫度-時(shí)間曲線(xiàn)一致的情況下，該兩組試驗(yàn)件的金錫焊料均熔化充分、連續(xù)，色澤光亮，外觀一致性較好，在X射線(xiàn)設(shè)備的檢測(cè)下，兩組試驗(yàn)件的空洞率基本滿(mǎn)足要求，加壓壓強(qiáng)為0.31MPa的試驗(yàn)件的檢測(cè)空洞率值約為14.2%，加壓壓強(qiáng)為0.38MPa的試驗(yàn)件的檢測(cè)空洞率值約為5.4%，相比而言，加壓0.38MPa情況下，大的空洞數(shù)量較少，效果明顯優(yōu)于加壓0.31MPa的情況。 

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

將上述試驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，具體見(jiàn)如表2所示。

3.2 試驗(yàn)分析

 全過(guò)程保持真空的環(huán)境下進(jìn)行共晶焊接，因?yàn)閭鬟f媒介的缺失，熱對(duì)流作用下降，熱量傳遞效率低，導(dǎo)致金錫焊料熔化不充分、欠焊。 

通過(guò)以上多組試驗(yàn)的檢測(cè)結(jié)果，我們不難發(fā)現(xiàn)真空共晶焊接最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是在焊料達(dá)到熔點(diǎn)后以及降溫凝固這個(gè)階段，爐內(nèi)氮?dú)鈿鈮簩?duì)空洞率的影響實(shí)際就是發(fā)生在這個(gè)環(huán)節(jié)。 

在不利用工裝施加壓力的情況下，在焊料熔化過(guò)程中進(jìn)行真空處理不會(huì)降低空洞率，反而會(huì)提高空洞率；在焊料熔化并形成空洞后加壓并在焊料凝固后排氣降壓，會(huì)對(duì)降低空洞率有明顯改善，如在焊料凝固前排氣降壓，則與在焊料熔化過(guò)程中進(jìn)行真空處理相似，空洞率會(huì)惡化?？斩葱纬傻母驹蚴菤怏w的殘留以及引入，可以理解成金錫焊料熔化時(shí)將殘留氣體包裹在一個(gè)密閉的液態(tài)小空間內(nèi)，想要降低空洞率，其一是將空洞內(nèi)的氣體溢出，共晶摩擦就是利用運(yùn)動(dòng)幫助氣體排出，同時(shí)工裝加壓也是幫助氣體溢出的重要手段，其二是將空洞的體積縮小。 

在金錫焊料熔化過(guò)程中，焊料達(dá)到熔點(diǎn)時(shí)的壓強(qiáng)為P1，凝固后的壓強(qiáng)為P2，當(dāng)氣壓值減小時(shí)，空洞體積變大，與圖5、圖6所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果相符；當(dāng)氣壓值增大時(shí)，空洞體積變小，與圖7、8所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果相符?？紤]到共晶焊接中影響空洞率的因素較多，上述推論可以反映空洞率發(fā)生變化的趨勢(shì)。

4 應(yīng)用實(shí)例

基于上述試驗(yàn)研究及分析的結(jié)果，在試驗(yàn)2.3.5（加壓壓強(qiáng)0.38MPa）的基礎(chǔ)上優(yōu)化了溫度參數(shù)，壓強(qiáng)曲線(xiàn)保持不變，完成了一種W波段發(fā)射模塊中核心芯片（驅(qū)放、功放、混頻、倍頻等）的共晶焊接，模塊實(shí)物如圖9所示。其中共晶的混頻器、功放芯片四周焊料熔化充分，圓潤(rùn)，色澤光亮，檢測(cè)的焊透率均超過(guò)96%，如圖10所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

 不使用工裝對(duì)芯片施加壓力的真空共晶焊接，在焊料熔化形成空洞后增加氮?dú)鈮簭?qiáng)并在凝固后排氣降壓，會(huì)對(duì)降低空洞率有明顯改善，并在此基礎(chǔ)上形成了一種較為實(shí)用的應(yīng)用于采用金錫焊片無(wú)外加重力或摩擦力的毫米波芯片共晶焊接的低空洞率焊接工藝方法。

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