摘要共晶焊接是微電子組裝中的一項(xiàng)重要焊接技術(shù)。本文簡(jiǎn)要介紹了聯(lián)邦焊接的工作原理以及聯(lián)邦焊接材料的選擇和常用聯(lián)邦焊接材料的性能特性。然后比較了幾種共晶焊接設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)，采用真空可控氣氛共晶爐在真空環(huán)境下完成共晶焊接可以有效防止共晶焊接過程中氧化物的產(chǎn)生，大大降低空洞率，從而提高焊接質(zhì)量。也適用于多芯片組件的一次共晶。探討了真空環(huán)境下影響共晶焊接質(zhì)量的真空度、保護(hù)性氣氛、焊接過程中的溫度曲線、焊接時(shí)的壓力等條件，得到了一些最佳的工藝方案，可適用于大部分共晶焊接工藝。真空擴(kuò)散焊接加工方法有哪些種類的圖片

關(guān)鍵詞：共晶焊接、真空擴(kuò)散焊接工藝曲線空洞

1、簡(jiǎn)介

隨著微波混合集成電路向高性能、高可靠性、小型化、高均勻性及低成本方向的發(fā)展，對(duì)芯片焊接技術(shù)提出了越來越高的要求。當(dāng)芯片、零件等與基板、管殼等載體互連時(shí)，實(shí)現(xiàn)的方法主要是導(dǎo)電粘合劑和共晶焊接。在微波頻率高端或微波大功率情況下，共晶焊接具有的電阻率小、熱導(dǎo)率小、熱阻小、微波損耗小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)得尤為明顯。

2、共晶焊接原理

共晶焊接又稱低熔點(diǎn)合金焊接，是指在較低溫度下，共晶焊料發(fā)生共晶熔接的現(xiàn)象，共晶合金直接由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，不經(jīng)過塑性階段。共晶焊料是由兩種以上金屬構(gòu)成的合金，其熔點(diǎn)遠(yuǎn)低于合金中任一種金屬的熔點(diǎn)。共晶焊料的熔融溫度稱為共晶溫度，共晶焊料中的合金成分的比例不同，其共晶溫度也不同。

3、共晶焊料的選擇

焊料的選擇是共晶焊接的一個(gè)非常重要的因素。不同材質(zhì)的芯片、鍍層厚度不同，焊料的選擇標(biāo)準(zhǔn)也不同。例如，Si芯片背面Au僅蒸薄層μm～0.2μm、使用AuSn焊錫的話，芯片上鍍的金“能吃”。因此，如何選擇焊錫很重要。焊料中合金的比例不同，其共晶溫度也不同。由于環(huán)保要求越來越嚴(yán)格，含鉛焊料的應(yīng)用越來越受到限制，近年來人們積極開發(fā)各種無鉛焊料。選擇無鉛焊料的原則是：熔點(diǎn)盡量低，結(jié)合強(qiáng)度高，化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)。下面簡(jiǎn)單介紹常用無鉛焊錫的一些特性：

Sn96.5Ag3.5：是許多無鉛焊料的基礎(chǔ)，熔點(diǎn)221℃（Sn-Pb焊料熔點(diǎn)183℃），液體下表面張力大，潤(rùn)濕性差，強(qiáng)度高，抗蠕變性強(qiáng)。真空擴(kuò)散焊接加工方法有哪些種類的圖片

Sn95.5Ag3.8Cu0.7：熔點(diǎn)217℃，Cu的引入不僅降低了熔點(diǎn)，而且大大改善了潤(rùn)濕性能。245℃具有良好的潤(rùn)濕性。

Sn91.8Ag3.4Bi4.8：熔點(diǎn)200℃~216℃，潤(rùn)濕性最好，表面最亮，熱疲勞及耐蠕變性相當(dāng)于Sn-Ag-Cu焊料，強(qiáng)度優(yōu)于Sn-Pb。但是，該合金對(duì)鉛極為敏感，即使極少量的鉛也使熔點(diǎn)降低到96℃，當(dāng)配線板暴露于100℃以上的溫度時(shí)，熔點(diǎn)脫落。

Au80Sn20：熔點(diǎn)280℃，金錫合金接近鍍層成分，因此擴(kuò)散對(duì)薄鍍層的浸潤(rùn)度低。

液態(tài)的金錫合金具有低的粘性，從而可以填充一些大的空隙，而且該比例的焊料還具有高的耐蝕性、高的耐蠕變改性以及良好的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性，其不足之處在于其價(jià)格高、性能脆、伸長(zhǎng)率低、不易加工等。通常用于要求機(jī)械和導(dǎo)熱性能優(yōu)異以獲得高可靠性的特殊情況。

52InSn48：熔點(diǎn)118℃，In的導(dǎo)入使錫合金的液相線和固相線降低，即熔點(diǎn)降低。它屬于低溫焊料，產(chǎn)品焊接性能良好，特別是在真空環(huán)境下或甲酸氣體保護(hù)環(huán)境下。但由于其耐熱疲勞性、延展性、合金脆性、加工性等方面仍存在缺陷，故僅適用于特殊工藝焊接。

Sn91Zn9：熔點(diǎn)198℃。Sn-Zn系焊料可以實(shí)現(xiàn)最接近Sn-Pb共晶焊料的熔點(diǎn)，其力學(xué)性能好，而且便宜。但是，Zn是反應(yīng)性強(qiáng)的金屬，容易氧化，浸潤(rùn)性變差。Sn-Zn系釬焊系統(tǒng)的保存性差，如果長(zhǎng)期放置，則會(huì)產(chǎn)生結(jié)合強(qiáng)度變低等許多問題。特別是對(duì)150℃的高溫放置非常敏感。真空擴(kuò)散焊接加工方法有哪些種類的圖片

4、共晶焊接設(shè)備的選擇

實(shí)現(xiàn)共晶焊接的設(shè)備有多種，如真空可控氣氛共品爐、鑷子共晶機(jī)、紅外再流焊接爐、箱型爐等。銷組共品機(jī)在共品焊接過程中，在加熱工作臺(tái)周圍填充氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣氛，在共晶焊料熔融時(shí)，通過銷組摩擦或超聲波破壞在焊料表面形成的氧化膜，降低共晶過程中產(chǎn)生的空洞。在使用該設(shè)備的情況下，在共晶過程中將氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣氛填充，但最終暴露于大氣環(huán)境下，因此若對(duì)共晶時(shí)間的把握不好，則迅速形成氧化膜，在共晶結(jié)束后產(chǎn)生空洞。同時(shí)，鑷子在進(jìn)行摩擦過程時(shí)容易損傷芯片。對(duì)于多芯片實(shí)現(xiàn)一次共晶是困難的。

使用紅外回流爐或罐式爐時(shí)必須使用焊劑。焊劑在釬焊溫度下維持液態(tài)，可覆蓋母材和焊料表面，起到抗氧化的作用。但其良好的揮發(fā)性容易對(duì)焊接爐體造成嚴(yán)重污染。同時(shí)，由于焊劑具有腐蝕性，因此在釬焊完成后，必須在短時(shí)間內(nèi)清洗焊劑殘?jiān)Ｕ婵湛煽貧夥展簿t可在共晶焊接時(shí)提供真空環(huán)境或可控氣氛（氮、氮、甲酸的混合氣體等）。共晶焊接不需要使用焊劑。根據(jù)焊接對(duì)象的共晶特征，可設(shè)定工藝曲線，精確控制爐體內(nèi)的共品環(huán)境，包括溫度和時(shí)間、真空度、充氣流量和時(shí)間等。準(zhǔn)確的工藝環(huán)境控制和使用安全性，真空可控氣氛共晶爐成為共品焊接的理想設(shè)備。真空擴(kuò)散焊接加工方法有哪些種類的圖片

5、真空環(huán)境下影響共晶焊接的因素

5.1共晶焊接時(shí)的真空度和保護(hù)氣氛

真空度和保護(hù)氣氛是影響共晶焊接質(zhì)量的重要因素。在共晶焊接過程中，如果真空度過低，則焊接區(qū)域周邊的氣體及焊料、被焊接器件焊接時(shí)放出的氣體在焊接完成后容易形成空洞，從而增加器件的熱阻，降低器件的可靠性，擴(kuò)大Ic破壞的可能性。但是，如果真空度過高，則在加熱中傳導(dǎo)介質(zhì)變少，容易產(chǎn)生共品焊錫達(dá)到熔點(diǎn)但未熔化的現(xiàn)象。通常共晶焊接時(shí)的真空度為5Pa～10Pa，但在內(nèi)部要求真空度的器件中，真空度的要求往往更高，一般為5×10-2Pa～5×10-3Pa，更高。

保護(hù)氣氛分為氮?dú)獗Ｗo(hù)焊和甲酸氣氛保護(hù)焊。對(duì)于體積較大且對(duì)焊接空洞要求不高的器件，可以用氮?dú)獗Ｗo(hù)焊接。與紅外再流焊爐或箱式爐相比，真空爐可以先抽真空再充氮?dú)?，循環(huán)幾次后，使真空室內(nèi)保持較高的氮?dú)鉂舛?。使用含銦焊料時(shí)，一般使用甲酸保護(hù)氣氛，通過流量控制，控制進(jìn)氣量，同時(shí)將真空度維持在2000Pa，控制抽氣速度，使其能夠在高溫下有效地還原氧化物。真空擴(kuò)散焊接加工方法有哪些種類的圖片

5.2共晶焊接時(shí)的溫度曲線的設(shè)定

共晶焊接的另一個(gè)重要影響因素是溫度曲線的設(shè)定。共晶焊接過程中，溫度曲線通常有升溫曲線和保溫曲線。升溫曲線、保溫曲線均可根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)設(shè)定為1級(jí)以上。溫度曲線的設(shè)定包括：升溫曲線的升溫溫度、升溫時(shí)間、保溫曲線的保溫溫度、保溫時(shí)間。

5.3共晶焊接時(shí)壓力

共晶焊接時(shí)在芯片上施加壓力的大小直接影響焊接質(zhì)量。在使用可真空控制的氣氛共晶爐在真空環(huán)境下實(shí)現(xiàn)共晶的情況下，往往對(duì)加熱后的石墨夾具實(shí)施裝置來完成對(duì)芯片的加壓過程。不同產(chǎn)品的壓力大小不同。壓力范圍通常為lg～50g，通過嵌段自重實(shí)現(xiàn)。對(duì)于特殊的夾鉗，例如彈簧加壓，有時(shí)會(huì)使用特殊的加壓方式，這里不進(jìn)行說明。真空擴(kuò)散焊接加工方法有哪些種類的圖片

6、小結(jié)

通過在真空環(huán)境下進(jìn)行共品真空擴(kuò)散焊接，可以防止焊接中的氧化物的產(chǎn)生。同時(shí)，如果在焊接中填充甲酸氣等具有還原性的氣體，也可以還原焊料中已經(jīng)形成的氧化膜，從而減少空洞的產(chǎn)生，提高焊接質(zhì)量。因此，通過大量的技術(shù)實(shí)驗(yàn)，制定適合產(chǎn)品的溫度曲線，輔助真空或氣氛保護(hù)施加一定的壓力，可有效提高共品焊接質(zhì)量。與大氣環(huán)境下工作的共晶裝置相比，真空共晶技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)多片一次性高質(zhì)量真空擴(kuò)散焊接。真空擴(kuò)散焊接加工方法有哪些種類的圖片