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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)變化到液態(tài)，而不經(jīng)過塑性階段，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度高、剪切力強、連接電阻小、傳熱效率高等優(yōu)點，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)的自動貼片機，壓力控制范圍為10-250g，每次貼放均可編程控制，并具有壓力實時反饋系統(tǒng)，熱臺為脈沖加熱方式，具有實時溫度檢測系統(tǒng)。原材料清洗采用UV紫外光清洗機、BT等離子清洗機。

機器首先將載體、焊片、芯片依次放置脈沖加熱臺上，利用真空吸孔或工裝將載體固定。當載體放置在熱臺上時熱臺四周開始釋放氮氣，當芯片放置在焊片上時熱臺開始按照設(shè)定的溫度曲線開始加熱，焊錫熔化后吸頭刮擦芯片使焊錫充分浸潤。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，機器自動將燒結(jié)好的芯片放回華夫料盒中。

對于實驗材料，不同尺寸的金錫焊料采用劃片機進行機械切割，之后進行酒精超聲清洗。

載體采用1：2：1的Cu/Mo/Cu形式，表面濺射Ni、Pd、Au，在應(yīng)用前經(jīng)過酒精超聲---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。實驗材料備好后以華夫盒形式放入貼片機供料臺上，然后通過編程來控制溫度曲線、壓力、刮擦等參數(shù)，整個共晶過程由貼片機自動完成，減少人為因此影響。共晶完成之后測量剪切力。

實驗結(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，是共晶焊過程最重要的階段；冷卻階段為共晶完成后器件散熱降溫過程，冷卻溫度及速率會影響器件內(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對共晶層質(zhì)量影響最為顯著，對于T2采用單因素對比試驗進行確定。試驗結(jié)果分析可知，熱臺溫度為320度時焊料完全熔融，可進行共晶焊接，為了增加金錫焊料浸潤性、流動性，在金錫共晶焊時將共晶溫度設(shè)為320-330度。

另外，對于共晶溫度T2保持時間，通過對比試驗，使用掃描電子顯微鏡觀察不同T2時間下共晶層組織情況，試驗結(jié)果如圖2所示。

通過對比分析發(fā)現(xiàn)，隨著共晶時間的增加，IMC層厚度由0.373um逐漸增至1.370um，共晶160s之后IMC厚度增長緩慢。通過能譜分析可知，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，在共晶過程中，合金Ni元素逐漸向AuSn合金層擴散，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。

共晶焊接中異質(zhì)金屬的連接需要IMC來實現(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，過厚的IMC層會顯著降低焊接的剪切強度。為保證形成適量厚度的IMC層，控制整體共晶時間為2-3min，其中共晶熔融時間為15-30S，此條件下IMC層厚度可控制在0.3-0.9um之間，共晶芯片剪切強度超過9.15Kgf。

共晶焊接相對于環(huán)氧粘接優(yōu)勢在于其熱阻更小，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。對于共晶焊結(jié)構(gòu)的熱阻，可通過熱阻公式進行分析：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；

對于整體結(jié)構(gòu)熱阻，其模型如圖3所示。分析過程按有源區(qū)擴散傳熱計算，按45度擴散計劃，截面積按有效面積計算，即梯形面的中間剖面長寬積計劃。

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