真空環(huán)境下的共晶焊接

霍灼琴，楊凱駿

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第2研究所，太原 030024）

1 引言

隨著微波混合集成電路向著高性能、高可靠性、小型化、高均勻性及低成本方向的發(fā)展，對(duì)芯片焊接工藝提出了越來越高的要求。將芯片、元器件等與載體（如基板、管殼等）進(jìn)行互聯(lián)時(shí)，實(shí)現(xiàn)的方法主要有導(dǎo)電膠粘接和共晶焊接。對(duì)于微波頻率高端或微波大功率時(shí)，共晶焊接所具有的電阻率小、導(dǎo)熱系數(shù)小、熱阻小、造成微波損耗小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)得尤為突出。

2 共晶焊接的原理

共晶焊接又稱為低熔點(diǎn)合金焊接，它是指在相對(duì)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)變成液態(tài)，而不經(jīng)過塑性階段。共晶焊料是由兩種或兩種以上金屬組成的合金，其熔點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于合金中任一種金屬的熔點(diǎn)。共晶焊料的熔化溫度稱為共晶溫度，共晶焊料中合金成分比例不同，其共晶溫度也不同。圖1是以前在電子設(shè)備、電子元器件的組裝、連接中最廣泛應(yīng)用的Sn-Pb系共晶焊料的相圖。

圖1中點(diǎn)a表示Pb的熔點(diǎn)（327℃），點(diǎn)c表示Sn的熔點(diǎn)（232℃）。線abc為液相線或液相溫度，又稱為初晶線。在此線上每點(diǎn)對(duì)應(yīng)的成分和溫度下都可進(jìn)行釬焊，該線上方為液相。線adb和線bec為固相線，△adb中α固溶體與液相共存，△bec中β固溶體與液相共存。線dbe為共晶線，點(diǎn)b稱為共晶點(diǎn)。共晶線下方是α相、β相構(gòu)成的機(jī)械混合物固相。

3 共晶焊料的選用

焊料的選用是共晶焊接非常關(guān)鍵的因素。不同材質(zhì)的芯片、鍍層厚度不同，焊料的選用標(biāo)準(zhǔn)也不同。如Si芯片背面的Au只是蒸一個(gè)薄層，不過0.1μm～0.2μm，如用AuSn焊料時(shí)芯片上鍍的金就會(huì)被“吃掉”。所以如何選用焊料是很關(guān)鍵的。焊料中合金比例不同，其共晶溫度也不同。

由于環(huán)境保護(hù)的要求日趨嚴(yán)格，含鉛焊料的應(yīng)用越來越受到限制，近年來人們正積極開發(fā)各種無鉛焊料。選擇無鉛焊料的原則是：熔點(diǎn)盡可能低、結(jié)合強(qiáng)度高、化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)。下面就幾種常用無鉛焊料的特性做簡(jiǎn)單介紹：

Sn-3.5Ag：是眾多無鉛焊料的基礎(chǔ)，溶點(diǎn)221℃（Sn-Pb焊料的熔點(diǎn)為183℃），液態(tài)下表面張力大、潤(rùn)濕性差、強(qiáng)度高、抗蠕變性強(qiáng)。

Sn-3.8Ag-0.7Cu：熔點(diǎn)217℃，Cu的引入不僅降低了熔點(diǎn)，且顯著改善了潤(rùn)濕性能。245℃即具有很好的潤(rùn)濕性。

Sn-3.4Ag-4.8Bi：熔點(diǎn)200℃～216℃，潤(rùn)濕性最佳，表面最亮，抗熱疲勞及耐蠕變性與Sn-Ag-Cu焊料相當(dāng)，強(qiáng)度優(yōu)于Sn-Pb。但該合金對(duì)鉛極為敏感，極少量的鉛也會(huì)使其熔點(diǎn)降至96℃，當(dāng)線路板暴露在100℃以上溫度時(shí)，焊點(diǎn)就會(huì)脫落。

Au-20Sn：熔點(diǎn)280℃，金錫合金與鍍金層成分接近，因而通過擴(kuò)散對(duì)很薄鍍層的浸潤(rùn)程度很低。液態(tài)的金錫合金具有很低的粘滯性，從而可以填充一些很大的空隙，另外，此種比例的焊料還具有高耐腐蝕性、高抗蠕變性及良好的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性，其不足之處是它的價(jià)格較貴，性能較脆，延伸率很低，不易加工等。它常應(yīng)用于一些特殊的同時(shí)要求機(jī)械及導(dǎo)熱性能好以獲得高可靠性的場(chǎng)合。

Sn-52In：熔點(diǎn)118℃，由于In的引入使錫合金的液相線和固相線降低，即降低了其熔點(diǎn)。它屬于一種低溫焊料，產(chǎn)品焊接性能良好，尤其是在真空環(huán)境下或在甲酸氣體保護(hù)環(huán)境下。但是它的耐熱疲勞性、延展性、合金變脆性、加工性等方面還存在缺陷，因此它只適用于特殊工藝焊接。

Sn-9Zn：熔點(diǎn)198℃。Sn-Zn系焊料可以實(shí)現(xiàn)與Sn-Pb共晶焊料最接近的熔點(diǎn)，其力學(xué)性能也好，而且便宜。但Zn為反應(yīng)性強(qiáng)的金屬，容易氧化致使浸潤(rùn)性變差。Sn-Zn系焊料釬焊系統(tǒng)的保存性較差，長(zhǎng)期放置會(huì)引起結(jié)合強(qiáng)度變低等不少問題。特別是對(duì)于150℃的高溫放置極為敏感。

4 共晶焊接設(shè)備的選用

實(shí)現(xiàn)共晶焊接的設(shè)備有多種，如真空可控氣氛共晶爐、鑷子共晶機(jī)、紅外再流焊爐、箱式爐等。

鑷子共晶機(jī)在共晶焊接過程中，在加熱臺(tái)周圍充氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣氛，并在共晶焊料熔化時(shí)通過鑷子摩擦或超聲使焊料表面形成的氧化膜破壞，從而降低共晶過程中產(chǎn)生的空洞。用此設(shè)備時(shí)雖在共晶過程中充氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣氛，但畢竟是暴露在大氣環(huán)境下，如果共晶時(shí)間掌握不好，就會(huì)迅速形成氧化膜，從而在共晶結(jié)束后產(chǎn)生空洞。同時(shí)，在鑷子進(jìn)行摩擦過程時(shí)容易對(duì)芯片造成損壞。對(duì)于多芯片實(shí)現(xiàn)一次共晶比較困難。

使用紅外再流焊爐或箱式爐時(shí)需要采用助焊劑。焊劑在釬焊溫度下保持液態(tài)，可以覆蓋在母材和焊料表面，起到防止氧化的作用。但是其良好的揮發(fā)性容易對(duì)焊接爐體產(chǎn)生嚴(yán)重的污染。同時(shí)由于焊劑具有腐蝕性，因此釬焊完成后必須在短時(shí)間內(nèi)對(duì)焊劑殘?jiān)M(jìn)行清洗。

真空可控氣氛共晶爐在共晶焊接時(shí)能夠提供真空環(huán)境或可控的氣氛（氮?dú)?、氮?dú)夂图姿岬幕旌蠚怏w等）。共晶焊接時(shí)無需使用助焊劑。它可根據(jù)焊接對(duì)象的共晶特點(diǎn)，設(shè)定工藝曲線，可以精確控制爐體內(nèi)的共晶環(huán)境，包括溫度和時(shí)間，真空度、充氣氣體流量和時(shí)間等。精確的工藝環(huán)境控制和使用的安全性使得真空可控氣氛共晶爐成為共晶焊接的理想設(shè)備。

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)量的一個(gè)重要因素。在共晶焊接過程中，如果真空度太低，焊區(qū)周圍的氣體以及焊料、被焊器件焊接時(shí)釋放的氣體容易在焊接完成后形成空洞，從而增加器件的熱阻，降低器件的可靠性，擴(kuò)大IC斷裂的可能。但是如果真空度太高，在加熱過程中傳導(dǎo)介質(zhì)變少，容易產(chǎn)生共晶焊料達(dá)到熔點(diǎn)但還沒有熔化的現(xiàn)象。一般共晶焊接時(shí)的真空度為5Pa～10Pa，但對(duì)于一些內(nèi)部要求真空度的器件來說，真空度要求往往更高，一般到5×10-2Pa～5×10-3Pa，甚至更高。

保護(hù)氣氛分為氮?dú)獗Ｗo(hù)焊和甲酸氣氛保護(hù)焊。對(duì)于體積比較大、對(duì)焊接空洞要求不高的器件，可以用氮?dú)獗Ｗo(hù)焊。和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)猓h(huán)幾次后，可以使真空室內(nèi)保持比較高的氮?dú)鉂舛?。使用含銦的焊料時(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)控制抽氣速度，使真空度保持在2000Pa，在高溫下能有效還原氧化物。

圖2為共晶焊接完成后拍的圖片。圖3、圖4為除真空度條件不同外其余條件均相同的情況下通過X射線拍的照片。圖3中有明顯的空洞現(xiàn)象，而圖4中就減少了很多。可見真空度對(duì)焊接質(zhì)量的影響。

5.2 共晶焊接時(shí)溫度曲線的設(shè)置

共晶焊接時(shí)還有一個(gè)重要的影響因素就是溫度曲線的設(shè)置。在共晶焊接過程中，溫度曲線一般有升溫曲線和保溫曲線。升溫曲線、保溫曲線都可根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)設(shè)為一段或更多段。溫度曲線的設(shè)置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。圖5所示為簡(jiǎn)單的兩段溫度工藝曲線，細(xì)線為第一段，粗線為第二段。設(shè)置第一段時(shí)要確定時(shí)間t1、t2和溫度T2，設(shè)置第二段曲線時(shí)要確定時(shí)間t3、t4和溫度T3，當(dāng)然t1、t2、t3、t4以及T2、T3的具體確定要根據(jù)共晶焊料的特點(diǎn)及所焊產(chǎn)品的吸熱程度進(jìn)行多次試驗(yàn)得出。一般情況下，由于溫度梯度的存在，在設(shè)置第一段升溫曲線時(shí)，溫度T2要比共晶溫度低30℃左右；而設(shè)置第二段保溫曲線時(shí)，溫度T3要比共晶溫度高30℃～50℃。

5.3 共晶焊接時(shí)的壓力

共晶焊接時(shí)在芯片上方施加壓力的大小直接影響焊接質(zhì)量。用真空可控氣氛共晶爐在真空環(huán)境下實(shí)現(xiàn)共晶時(shí)，常常在加熱的石墨夾具上做如圖6所示的裝置來完成對(duì)芯片的加壓過程。根據(jù)產(chǎn)品不同，壓力的大小也不同。壓力范圍通常在1g～50g，通過壓塊自重來實(shí)現(xiàn)。對(duì)一些特殊的夾具會(huì)用特殊的加壓方式，如通過彈簧加壓等，這里不再贅述。

圖7、圖8所示為除壓力條件不同外其余條件均相同的情況下，通過X射線拍的照片。圖7中很明顯能看出有空洞現(xiàn)象。而圖8中的空洞現(xiàn)象明顯減少?？梢妷毫?duì)真空焊接質(zhì)量的影響。

6 小結(jié)

在真空環(huán)境下進(jìn)行共晶焊接，可以防止焊接過程中氧化物的產(chǎn)生。同時(shí)如果焊接過程中充以甲酸氣體等具有還原性的氣體，還能夠?qū)⒑噶现幸呀?jīng)形成的氧化膜進(jìn)行還原，從而減少空洞的產(chǎn)生，提高焊接質(zhì)量。因此，通過大量的工藝實(shí)驗(yàn)，制定出適合產(chǎn)品的溫度曲線，輔以真空或氣氛保護(hù)并施加一定的壓力，能有效提高共晶焊接的質(zhì)量。相比于在大氣環(huán)境中工作的共晶設(shè)備，真空共晶技術(shù)還能實(shí)現(xiàn)多芯片一次性高質(zhì)量焊接。

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