1 引言

共晶焊技術(shù)在電子封裝行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，如芯片與基板的粘接、基板與管殼的粘接、管殼封帽等等。與傳統(tǒng)的環(huán)氧導(dǎo)電膠粘接相比(表 1)，共晶焊接具有熱導(dǎo)率高、電阻小、傳熱快、可靠性強(qiáng)、粘接后剪切力大的優(yōu)點(diǎn)，適用于高頻、大功率器件中芯片與基板、基板與管殼的互聯(lián)。對于有較高散熱要求的功率器件必須采用共晶焊接。共晶焊是利用了共晶合金的特性來完成焊接工藝的。

共晶合金具有以下特性：

(1)比純組元熔點(diǎn)低，簡化了熔化工藝;

(2)共晶合金比純金屬有更好的流動性，在凝固中可防止阻礙液體流動的枝晶形成，從而改善了鑄造性能;

(3)恒溫轉(zhuǎn)變(無凝固溫度范圍)減少了鑄造缺陷，如偏聚和縮孔;

(4)共晶凝固可獲得多種形態(tài)的顯微組織，尤其是規(guī)則排列的層狀或桿狀共晶組織，可成為優(yōu)異性能的原位復(fù)合材料(in-situ composite)。共晶是指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，共晶合金直接從固態(tài)變到液態(tài)，而不經(jīng)過塑性階段。其熔化溫度稱共晶溫度。"真空/可控氣氛共晶爐"是國際上近幾年推出的新設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)器件的各種共晶工藝;共晶時無需使用助焊劑，并具有抽真空或充惰性氣體的功能，在真空下共晶可以有　　效減少共晶空洞;如輔以專用的夾具，則能實(shí)現(xiàn)多芯片一次共晶。我所根據(jù)新的工藝要求，研制出2種型號真空/可控氣氛共晶爐，如圖1所示。GJL-2023B是PLC(可編程控制器)控制，在溫控儀表上設(shè)定溫度曲線，氣體流量控制手動調(diào)節(jié)。GJL-225是工控機(jī)控制，在液晶顯示屏上設(shè)定工藝曲線及氣體流量等工藝參數(shù)，由控制軟件自動完成工藝過程。

2 真空/可控氣氛共晶爐主要應(yīng)用領(lǐng)域

2.1 IC芯片焊接

IC 芯片與基板的焊接是共晶焊的主要應(yīng)用方向。通常使用金錫(Au80Sn20)、金硅(AuSi)、金鍺(AuGe)等合金材料的焊片將芯片焊接到基板(載板)上，合金焊片放在IC 與基板問的焊盤上。為了抑制氧化物的形成，通常在IC 的背面鍍一層金。以上 3 種焊料已經(jīng)被成功地使用于器件進(jìn)行高溫處理，它具有好的機(jī)械性能和熱傳導(dǎo)性。微波、毫米波電路中，合金焊料通常選用AuSn(熔點(diǎn)280℃)、AuGe(熔點(diǎn)365℃)。由于2種合金的熔點(diǎn)相差較大，故一般采用AuGe合金將薄膜電路焊接在載板上，再采用AuSn合金焊接微波芯片、電容等元件。為了避免芯片等元件受到高溫?zé)釠_擊，不少公司采用AuSn合金將薄膜電路共晶到載板上，其他芯片元件采用導(dǎo)電膠焊接的方式。在多芯片組件中，焊接芯片和基板的材料及組裝工藝與混合電路中使用的大致上差不多。和混合電路一樣，在90%/6以上的多芯片模塊中使用低成本、易于返修的環(huán)氧樹脂。焊料或共晶焊接法主要用于大功率電路或者必須達(dá)到宇航級要求的電路。多芯片組件是當(dāng)前微組裝技術(shù)的代表產(chǎn)品，是一種可以滿足軍用、宇航電子裝備和巨型計(jì)算機(jī)微小型化、高可靠、高性能等方面迫切需求的先進(jìn)微電子組件。它將多個集成電路芯片和其它片式元器件組裝在一塊高密度多層互連基板上，封裝在管殼內(nèi)。多芯片組件以其高密度、高性能、高可靠性、輕重量、小體積等明顯的優(yōu)勢被廣泛地應(yīng)用于航空航天、軍用通信和常規(guī)武器等軍事領(lǐng)域。多芯片組件在密度不斷增加的趨勢下還向著大功率、高頻的方向發(fā)展，而多芯片共晶工藝有助于提高大功率、高頻器件的制造技術(shù)，適用的夾具有助于提高生產(chǎn)效率，提高成品率，對促進(jìn)微封裝產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要　意義。圖2是多芯片樣品共晶后的照片及焊接用石墨夾具。圖 3是多芯片組件制造的豐要工藝過程示意圖。從此圖中可以看出，芯片與基板粘接是成功完成多芯片組件(模塊)的關(guān)鍵工藝步驟之一。目前實(shí)現(xiàn)這一步驟的主要工藝有環(huán)氧導(dǎo)電膠粘接和共晶焊料焊接2種方法。雖然導(dǎo)電膠和緣絕膠貼片非常方便，生產(chǎn)率高。但在微波頻率高或功率大時，由于導(dǎo)電膠的電阻率大(100～500μΩ·cm)、導(dǎo)熱系數(shù)(2～8 W/m·k)小，會造成微波損耗大，管芯熱阻大，結(jié)溫高，影響功率輸出和可靠性。因此對于頻率高、功率大的器件，只能采用共晶焊接。實(shí)現(xiàn)共晶焊接的設(shè)備有多種，本文介紹的有關(guān)共晶焊接的工藝是采用真空/可控氣氛共晶爐設(shè)備實(shí)現(xiàn)的。使用真空/可控氣氛共晶爐進(jìn)行芯片共晶焊需要注意以下幾個方面的問題：

2.1.1 焊料的選用

焊料是共晶焊接非常關(guān)鍵的因素。有多種合金可以作為焊料，如 AuGe、AuSn、AuSi、Snln、SnAg、SnBi等，各種焊料因其各自的特性適于不同的應(yīng)用場合。如：含銀的焊料SnAg，易于與鍍層含銀的端面接合，含金、含銦的合金焊料易于與鍍層含金的端面接合。根據(jù)被焊件的熱容量大小，一般共晶爐設(shè)定的焊接溫度要高于焊料合金的共晶溫度30～50℃。芯片能耐受的溫度與焊料的共晶溫度也是進(jìn)行共晶時應(yīng)當(dāng)關(guān)注的問題。如果焊料的共晶溫度過高，就會影響芯片材料的物理化學(xué)性質(zhì)，使芯片失效。因此焊料的選用要考慮鍍層的成份與被焊件的耐受溫度。此外，如焊料存放時間過長，會使其表面的　氧化層過厚，因焊接過程中沒有人工干預(yù)，氧化層是很難去除的，焊料熔化后留下的氧化膜會在焊后形成空洞。在焊接過程中向爐腔內(nèi)充入少量氫氣，可以起到還原部分氧化物的作用，但最好是使用新焊料，使氧化程度降到最低。

2.1.2 溫度控制工藝曲線參數(shù)的確立

共晶焊接方法豐要用于高頻、大功率電路或者必須達(dá)到宇航級要求的電路。焊接時的熱損耗，熱應(yīng)力，濕度，顆粒以及沖擊或振動是影響焊接效果關(guān)鍵因素。熱損傷會影響薄膜器件的性能;濕度過高可能引起粘連，磨損，附著現(xiàn)象;無效的熱部件會影響熱的傳導(dǎo)。共晶時最常見的問題是基座(Heater Block)的溫度低于共晶溫度.在這種情況下，焊料仍能熔化，但沒有足夠的溫度來擴(kuò)散芯片背面的鍍金層，而操作者容易誤認(rèn)為焊料熔化就是共晶了。另一方面，用過長的時間來加熱基座會導(dǎo)致電路金屬的損壞，可見共晶時溫度和時間的控制是十分重要的。由于以上原因，溫度曲線的設(shè)置是共晶好壞的重要因素。于共晶時需要的溫度較高，特別是用Au88Ge12 焊料共晶，對基板及薄膜電路的耐高溫特性提出了要求。要求電路能承受 400℃的高溫，在該溫度下，電阻及導(dǎo)電性能不能有改變。因此共晶的一個關(guān)鍵因素是溫度，它不是單純的到達(dá)某個定值溫度，而是要經(jīng)過一個溫度曲線變化的過程，在溫度變化中，還要具備處理任何隨機(jī)事件的能力，如抽真空、充氣、排氣等事件。這些都是共晶爐設(shè)備具備的功能。多芯片共晶的溫度控制與單芯片共晶不同。多芯片共晶時會出現(xiàn)芯片材料不同，共晶焊料不同，因此共晶溫度不同的情況。這時需要采用階梯共晶的方法。一般先對溫度高的共晶焊料共晶，再共晶溫度低的。共晶爐控制系統(tǒng)可以設(shè)定多條溫度曲線，每條溫度曲線可以設(shè)定 9 段，通過鏈接的方式可擴(kuò)展到 81 段，在溫度曲線運(yùn)行過程中可增加充氣、抽真空、排氣等工藝步驟。

2.1.3 降低空洞率

共晶后，空洞率是一項(xiàng)重要的檢測指標(biāo)，如何降低空洞率是共晶的關(guān)鍵技術(shù)。空洞通常是由焊料表面的氧化膜、粉塵微粒、熔化時未排出的氣泡形成。由氧化物所形成的膜會阻礙金屬化表面的結(jié)合部相互滲透，留下的縫隙，冷卻凝結(jié)后形成空洞。共晶焊時形成的空洞會降低器件的可靠性，擴(kuò)大IC 斷裂的可能，并會增加器件的工作溫度、削弱管芯的粘貼能力。共晶后焊接層留下的空洞會影響接地效果及其它電氣性能。消除空洞的主要方法有：

(1)共晶焊前清潔器件與焊料表面，去除雜質(zhì);

(2)共晶時在器件上放置加壓裝置，直接施加正壓;

(3)在真空環(huán)境下共晶。

2.1.4 如伺實(shí)現(xiàn)多個芯片一次共晶

存進(jìn)行多芯片組件共晶時，由于芯片的尺寸越來越小，數(shù)量越來越多，就必須采用特制的夾具來完成。這類夾具不但具有固定芯片和焊料位置的功能，本身還要具有易操作、耐高溫不變形的特性。由于有些芯片的尺寸只有0.5 mm2甚至更小，不易定位，人工放置不便，所以共晶爐一般焊接1mm2以上的芯片;在共晶時由于有氣流變化，為防止芯片移動，用夾具定位是必需的。

夾具除對加工精度的要求外，還須耐受高溫且不變形，物理化學(xué)性質(zhì)不會改變、或說其變化不會給共晶帶來不利影響、甚至有助于共晶：制造夾具的材料還必須易于加工，如果加工很困難，不利于功能實(shí)現(xiàn)。另外，易于使用也是著要重考慮的方面。石墨基本附合以上要求，共晶爐的夾具一般選用的就是高純石墨，它具有以下特點(diǎn)：

(1)高溫變形小，對器件影響較小; (2)導(dǎo)熱性好，有利于熱量傳播，使溫度均勻性
　　好;

(3)化學(xué)穩(wěn)定好，長期使用不變質(zhì);

(4)可塑性好，容易加工。

在一個氧化環(huán)境中，石墨中的碳形成CO和CO2，背"擦干"氧氣的優(yōu)點(diǎn)。石墨是各向同性材料，晶粒在所有方向上均勻、密集分布，受熱均勻。焊接元件被固定在石墨上，熱量直接傳導(dǎo)，加熱均勻，焊接面平整。

2.2 基板與管殼的焊接

與芯片和基板的焊接工藝相似，基板與管殼的焊接也是共晶焊很好的應(yīng)用領(lǐng)域。在這一工藝中要注意空洞率要符合國軍標(biāo) GJB548-96A 的要求，軍用產(chǎn)品控制在 25%以下。由于基板一般比芯片尺寸大，且材質(zhì)較厚、硬些，對位置精度要求低，所以用共晶爐能更好地焊接。

2.3 封帽工藝

器件封帽也是共晶爐的用途之一。通常器件的外殼是陶瓷或可伐等材料外鍍金鎳而制成的。"陶瓷封裝"在實(shí)際應(yīng)用中由于它容易裝配、容易實(shí)現(xiàn)內(nèi)部連接和成本低而成為最優(yōu)封裝介質(zhì)。

陶瓷能經(jīng)受住苛刻的外部環(huán)境，高溫、機(jī)械沖擊和振動，它是一個剛硬的材料，并且有一個接近硅材料的熱膨脹系數(shù)值。這類器件的封裝可以采用共晶焊的方法，陶瓷腔體上部有一個密封環(huán)，用來與蓋板進(jìn)行共晶焊接，以獲得一個氣密、真空封焊。金層一般需要1.5μm，但是由于工藝處理及高溫烘烤，腔體和密封環(huán)都需電鍍2.5μm 的金，過多的金用來保護(hù)鎳的遷移。鍍金可伐蓋板可被用來作為氣密性封焊陶瓷管殼的材料，在共晶前一般要進(jìn)行真空烘烤。　共晶爐還可應(yīng)用于芯片電鍍凸點(diǎn)再流成球、共晶凸點(diǎn)焊接、光纖封裝等工藝。除混　　合電路、電子封裝外，LED行業(yè)也是共晶爐應(yīng)用領(lǐng)域。

3 共晶爐與其它共晶設(shè)備的比較

除共晶爐外，實(shí)現(xiàn)共晶焊接的設(shè)備還有：帶有吸嘴和鑷子的共晶機(jī)、紅外再流焊爐、
　　箱式爐等。使用這類設(shè)備共晶時存在以下問題：

(1)在大氣環(huán)境下焊接，共晶時容易產(chǎn)生空洞;

(2)使用箱式爐和紅外再流焊爐進(jìn)行共晶需要使用助焊劑，會產(chǎn)生助焊劑流動污染，增加清洗工藝，若清洗不徹底導(dǎo)致電路長期可靠性指標(biāo)降低;

(3)鑷子共晶機(jī)對操作者要求高，許多工藝參數(shù)不可控，不能任意設(shè)置溫度曲線，進(jìn)行多芯片共晶時，芯片重復(fù)受熱，焊料多次融化易使焊接面氧化，芯片移位，焊區(qū)擴(kuò)散面不規(guī)則，嚴(yán)重影響芯片的壽命和性能。

由此可見，真空/可控氣氛共晶爐設(shè)備具有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，在共晶工藝上具有獨(dú)特優(yōu)勢。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，它會越來越受到行業(yè)內(nèi)的注視。

目前常用的共晶焊的方祛有以下兩種：

1.手工焊接法：即用鑷子鉗住硅芯片，使其與加熱的局部鍍金底座作相對運(yùn)動，去除接觸面上的氧化物，使金—硅迅速共熔。其優(yōu)點(diǎn)是裝置簡單、操作方便、靈活性大，適用各種不同尺寸的芯片。缺點(diǎn)是焊接精度和一致性差.芯片表面易被鑷子劃傷。

2.超聲擦動焊接法：其裝置與超聲壓焊機(jī)相仿。焊刀將鹼芯片吸住.在—定壓力下，以45—60kHz的超聲頻率與加熱的鍍金底座作相對擦動消除接觸處的氧化物，金-硅迅速共溶.焊刀一般采用傳遞機(jī)械能損失小和耐磨、耐高溫性好的碳化鎢硬質(zhì)合金材料。這種焊接方法的優(yōu)點(diǎn)是焊接一致性好，焊接速度快(小于 0.5s)，位置準(zhǔn)確。特別適合中小功率器件的硅芯片與底座焊接。

尺寸較大〔如 2×2Mm2 以上)的芯片最好用機(jī)械或電磁振動，所需的時間和振幅也要大—些。

影響焊接質(zhì)量的因素有：溫度、壓力、焊接時間、擦動頻串和幅度。此外，還有金層的厚度和金層的質(zhì)量、硅片背面的氧化程度等等。一般從外觀上來看，要求鍍金層表面結(jié)晶致密呈金的本色，無發(fā)紅現(xiàn)象，加熱后不得變色。當(dāng)金層疏松或過薄，焊接加熱過程中不會發(fā)紅，甚至發(fā)灰，就不能焊牢。對l×1mm2的硅芯片，需要有2微米以上的致密鍍金層才能獲得可靠的焊接。如果鍍金層較薄(1微米)時，可預(yù)先在硅芯片背面蒸發(fā)—層金來彌補(bǔ)。隨著硅芯片面積的增大，金層的厚度要相應(yīng)增加。為了對處于室溫的硅芯片在焊接時焊區(qū)的熱量損失及底座的熱容量進(jìn)行補(bǔ)償，焊接溫度要高于合金熔點(diǎn)，一般為 410土10℃。

當(dāng)焊接較大面積的芯片時，為防止焊區(qū)溫度下降過多和縮短焊接時間，可對焊刀加熱，一般焊刀的溫度在 300℃以下。