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現(xiàn)芯片與載體互連的一種重要的焊接工藝。對于需要共晶的芯片，其與載體間共晶焊接的空洞率，會直接影響到芯片工作時的散熱及其輸出功率。重點針對無工裝施加壓力條件下真空共晶爐內(nèi)抽真空、加壓、泄壓等工藝展開試驗研究，分析不同的爐內(nèi)氣壓壓強與空洞率之間的關(guān)系。試驗結(jié)果表明，在焊料熔化形成空洞時增加氣壓、在焊料凝固后排氣降壓，對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，充分保障了芯片的接地、散熱特性，對芯片的電性能的實現(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在芯片上設(shè)計工裝施加壓力來實現(xiàn)的，并且其對降低共晶焊接空洞率有著非常突出的作用，然而對于一些表面對壓力敏感的芯片（如存在多處空氣橋而無施壓空間的砷化鎵芯片等）而言，焊接過程中在不通過工裝施加壓力的情況下對芯片共晶焊接的空洞率進行優(yōu)化控制至關(guān)重要。

2 試驗方法與過程

 本文采用薄膜陶瓷基片替代芯片進行模擬試驗，針對在真空共晶焊接過程中，在不同升溫時段對真空共晶爐進行抽真空、充氮氣，通過樣件的檢測分析不同的爐內(nèi)氣壓對共晶焊接的影響，并在試驗的基礎(chǔ)上進行參數(shù)優(yōu)化。參數(shù)確認后，通過實際芯片的空洞率的測試來驗證試驗情況，獲取低空洞率的芯片焊接。

2.1 試驗材料及準(zhǔn)備

 本文所用的試驗樣件材料的外形示意圖如圖1所示，具體材料種類及特性見表1。

2.2 試驗方法及規(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，大致通過預(yù)熱、抽真空、升溫、降溫、充氣、排氣等過程，設(shè)置出相應(yīng)的溫度、氣壓與時間的控制曲線，實現(xiàn)共晶的過程。 

首先對載體、薄膜陶瓷基片進行物理清洗，再利用等離子清洗機清洗兩者待焊接面（射頻功率：500W，清洗時間：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射線設(shè)備檢測焊接空洞率（內(nèi)控空洞要求：空洞率小于15%且無貫穿性空洞）。 

對任何一種焊接件而言，其外形、重量、材料、熱容等因素都不同，首先針對試驗樣件摸索出常壓下共晶爐的溫度曲線，以此開展后續(xù)試驗。在金錫焊料未發(fā)生熔化時，真空共晶爐內(nèi)氣氛環(huán)境（無論真空或者是高氣體壓力）會對溫度分布產(chǎn)生影響，但此時尚未形成空洞；而在焊料熔融后，真空共晶爐內(nèi)氣氛環(huán)境開始對空洞率產(chǎn)生影響。依次開展全過程真空環(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 試驗過程

 2.3.1 常壓下溫度曲線的確定

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，確定樣件常壓下溫度-時間（溫時）曲線，如圖2所示。在該溫時曲線下，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)會降低以及注入氮氣時會吸走一部分熱量，后續(xù)試驗設(shè)定的最高溫度及焊接保溫時間會進行相應(yīng)的小幅度調(diào)整。

2.3.2 全過程真空環(huán)境的共晶焊接

 在保持溫時曲線不變，全過程保持真空且焊片與載體貼合緊密，無明顯縫隙。其效果見圖3所示。金錫焊料熔化不充分，表面全部都是“褶皺”，不夠“圓潤”，且無光澤，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)，在焊料熔融前充氮氣，如圖4中共晶焊接程序曲線所示，在熔融前加壓并在熔融中保持真空，該組試驗件金錫焊料均熔化充分，色澤光亮，圓潤，但是基片四周的焊料熔化不夠連續(xù)，出現(xiàn)局部斷點，而且在X射線設(shè)備檢測下均有少許空洞，其檢測的空洞率值約為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，嘗試在熔融前加壓并在熔融中進行排氣降壓進行試驗，共晶焊接程序曲線如圖5所示，該組試驗件金錫焊料均熔化充分，色澤光亮，在X射線設(shè)備檢測下空洞非常明顯，其檢測的空洞率值約為34.5%，呈惡化趨勢，但是基片四周的焊料熔化連續(xù)。

比對不難發(fā)現(xiàn)：在保持氮氣氛圍下的共晶焊接焊料“流淌性”更加均勻，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行排氣降壓的試驗結(jié)果表明，共晶焊接需要在保持氮氣加壓的氛圍下，嘗試在熔融過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進行試驗，該組試驗件金錫焊料均熔化充分，色澤光亮，焊料熔化連續(xù)，但在X射線設(shè)備檢測下空洞非常明顯，其檢測的空洞率值約為26.7%。 

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

圖7是加壓壓強為0.31MPa的情況，圖8為加壓壓強為0.38MPa的情況，在溫度-時間曲線一致的情況下，該兩組試驗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射線設(shè)備的檢測下，兩組試驗件的空洞率基本滿足要求，加壓壓強為0.31MPa的試驗件的檢測空洞率值約為14.2%，加壓壓強為0.38MPa的試驗件的檢測空洞率值約為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 試驗結(jié)果與分析

3.1 試驗結(jié)果統(tǒng)計

將上述試驗進行統(tǒng)計，具體見如表2所示。

3.2 試驗分析

 全過程保持真空的環(huán)境下進行共晶焊接，因為傳遞媒介的缺失，熱對流作用下降，熱量傳遞效率低，導(dǎo)致金錫焊料熔化不充分、欠焊。 

通過以上多組試驗的檢測結(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)是在焊料達到熔點后以及降溫凝固這個階段，爐內(nèi)氮氣氣壓對空洞率的影響實際就是發(fā)生在這個環(huán)節(jié)。 

在不利用工裝施加壓力的情況下，在焊料熔化過程中進行真空處理不會降低空洞率，反而會提高空洞率；在焊料熔化并形成空洞后加壓并在焊料凝固后排氣降壓，會對降低空洞率有明顯改善，如在焊料凝固前排氣降壓，則與在焊料熔化過程中進行真空處理相似，空洞率會惡化?？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將殘留氣體包裹在一個密閉的液態(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動幫助氣體排出，同時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。 

在金錫焊料熔化過程中，焊料達到熔點時的壓強為P1，凝固后的壓強為P2，當(dāng)氣壓值減小時，空洞體積變大，與圖5、圖6所對應(yīng)的試驗結(jié)果相符；當(dāng)氣壓值增大時，空洞體積變小，與圖7、8所對應(yīng)的試驗結(jié)果相符。考慮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。

4 應(yīng)用實例

基于上述試驗研究及分析的結(jié)果，在試驗2.3.5（加壓壓強0.38MPa）的基礎(chǔ)上優(yōu)化了溫度參數(shù)，壓強曲線保持不變，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，色澤光亮，檢測的焊透率均超過96%，如圖10所示。

5 結(jié)束語

 不使用工裝對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氣壓強并在凝固后排氣降壓，會對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用的應(yīng)用于采用金錫焊片無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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