2016-08-09 摘自誠聯(lián)愷達(dá) 北京誠聯(lián)愷達(dá)科技有限公司

      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，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；如輔以專用的夾具，則能實(shí)現(xiàn)多芯片一次共晶，我公司根據(jù)新的工藝要求，研制出幾款真空可控氣氛共晶爐，如圖1所示。KD-V43是西門子+PLC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。  而且還帶視覺監(jiān)控分析系統(tǒng)：焊接過程對焊接缺陷分析，可通過對整個焊接過程的視頻錄像（將器件和錫膏的焊接變化視頻與溫度曲線和當(dāng)前焊接時間、當(dāng)前溫度、當(dāng)前焊接環(huán)境結(jié)合在一個畫面上），根據(jù)分析焊接過程，收集焊接缺陷；通過軟件自動對焊接實(shí)際曲線和焊接環(huán)境的分析，再加入焊接缺陷結(jié)果及焊接的前期流程的選項(xiàng)，軟件自動給出建議性處理方案，便于貴方公司工藝人員及時可靠的進(jìn)行工藝整改，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量與生產(chǎn)效率。

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： 

      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。 

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。 

      由于共晶時需要的溫度較高，特別是用AuGe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。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。 

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。 

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?。?nbsp;

(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1.5m，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，在進(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。

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