混合集成電路組裝中的共晶焊技術(shù)

楊宗亮，俸緒群（.中華通信系統(tǒng)有限責(zé)任公司河北分公司，河北石家莊，05008；.河北諾亞人力資源開發(fā)有限公司，河北石家莊，050035）

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混合集成電路組裝中的共晶焊技術(shù)

楊宗亮1，俸緒群2
（1.中華通信系統(tǒng)有限責(zé)任公司河北分公司，河北石家莊，050081；2.河北諾亞人力資源開發(fā)有限公司，河北石家莊，050035）

共晶焊是元器件組裝的一種重要方式，在混合集成電路組裝中有著重要的地位。闡述了共晶焊的概念及其特點，比較了鑷子共晶焊等共晶焊設(shè)備的優(yōu)缺點，介紹了相關(guān)共晶焊料的基本特性和常用形態(tài)，分析了影響共晶焊質(zhì)量的相關(guān)關(guān)鍵因素，并講解了共晶質(zhì)量的檢測方法。

共晶焊；混合集成電路；剪切力

0　引言

共晶焊是指使用共晶合金進行的焊接。在混合集成電路組裝過程中，共晶焊技術(shù)是將裸芯片、厚薄膜電路基板組裝到金屬載體上或腔體內(nèi)的主要方法之一。共晶焊的基本工藝過程為：先根據(jù)芯片面積大小，將選用的共晶焊片切割成型（也可與廠家定制相應(yīng)尺寸的焊料片），然后置于芯片與基板之間，在惰性氣體保護或真空環(huán)境下加熱至其熔點，以實現(xiàn)兩者間的牢固焊接，并形成良好的電接觸。與環(huán)氧粘接等其它組裝方式相比，共晶焊具有連接電阻小、傳熱效率高、散熱均勻、焊接強度高、工藝一致性好等優(yōu)點，在功率、高頻以及對元件安裝有高可靠要求的混合集成電路中頗具應(yīng)用價值。

1　共晶焊設(shè)備

在混合電路微組裝工藝過程中，常用的共晶焊設(shè)備有手動鑷子共晶焊機、手動吸頭式共晶焊機、真空/可控氣氛共晶爐和自動共晶焊機等。不同的設(shè)備各有其優(yōu)缺點，分別適用于不同的應(yīng)用環(huán)境。

鑷子共晶焊機采用鑷子來夾取芯片，針對不同尺寸的芯片，只需調(diào)整鑷子的開口大小即可。但由于鑷子的夾持面積較小，容易產(chǎn)生芯片夾持不穩(wěn)或?qū)π酒斐蓳p傷，特別是對尺寸大、厚度薄的芯片更是難以實現(xiàn)良好的共晶。因此鑷子共晶焊機只適用于對共晶質(zhì)量要求不高，且生產(chǎn)任務(wù)較緊的場合。

手動吸頭式共晶焊機由于采用特制的真空吸頭來吸取芯片，可避免鑷子在夾取芯片時的崩邊、崩角現(xiàn)象。某些設(shè)備采用特制的工作臺為共晶提供了良好的共晶環(huán)境，從而大大提高了共晶質(zhì)量，同時由于設(shè)備操作靈活，共晶過程中可充分的摩擦潤滑，共晶強度高。但針對不同尺寸的芯片需定做相應(yīng)的真空吸頭，特別是對表面有空氣橋的芯片，更是需要芯片與吸頭的一一對應(yīng)。

真空/可控氣氛共晶爐需要專門的夾具來固定芯片，一次可共晶多片芯片，適合較大批量生產(chǎn)。在共晶焊時可抽真空并可對氣氛進行控制，減少了共晶焊接空洞，同時能提供精確的工藝曲線，提高了共晶焊質(zhì)量。但共晶過程中由于芯片和載體間沒有摩擦，共晶強度較手動摩擦共晶要低，且每種芯片都需設(shè)計專門的夾具，夾具的設(shè)計制造周期較長、成本較高。

自動共晶焊機的工作原理與手工吸頭式共晶焊機類似，只不過其所有的操作（全自動設(shè)備可自動上下料，半自動設(shè)備需人工上下料）都可自動完成，包括焊料片的自動對位、吸取和放置；芯片的自動對位、吸取、放置和摩擦；加熱臺溫度、吹起和抽真空的自動控制等。由于該類設(shè)備的操作都為自動運行，所以設(shè)備的優(yōu)點為共晶的精度和效率都比較高。因為設(shè)備只有一個吸頭，一次就只能完成一片芯片的共晶，所以在多芯片組件共晶時，就存在前期共晶芯片高溫停留時間過長可能損壞芯片的問題。同時該類設(shè)備價值較高，也存在經(jīng)費投入大的問題。

2　共晶焊料

共晶合金的基本特性是：兩種或多種不同的金屬可在遠(yuǎn)低于各自的熔點溫度下，按一定比例形成共熔合金，這個較低的溫度即為它們的低共熔點。常用的有錫鉛（SnPb）、金錫（AuSn）、金硅（AuSi）、金鍺（AuGe）等。各種焊料的共晶溫度和電氣機械性能如表1：

焊料的形態(tài)有膏狀和片狀兩種，但大部分人選用片狀，且為預(yù)成型片（如圖1）。

圖1　預(yù)成型焊料片

3　影響共晶焊質(zhì)量的關(guān)鍵因素

焊料的特性、芯片與載體的表面狀態(tài)和共晶參數(shù)等都會對共晶質(zhì)量造成影響，其中關(guān)鍵的影響因素有：

（1） 共晶焊料。在實際工作中，焊料的選用非常關(guān)鍵。焊料的選用通常要綜合考慮焊接面（基板背面及外殼表面）金屬化層的材料種類及厚度、焊接工序、焊后電氣機械性能、器件及基板的熱承受能力等諸多因素。考慮焊接工序主要是指當(dāng)有階梯焊要求時，先行焊接的要采用共晶溫度較高的焊料。選擇成分準(zhǔn)確穩(wěn)定、無氧化、表面平整的焊料，能夠有效的減少空洞缺陷的發(fā)生率。

（2） 表面鍍層。為了提高共晶面的浸潤性和共晶質(zhì)量，需要在芯片和基板的共晶面涂鍍鍍層。一般的鍍層材料為金。金層的厚薄、致密程度以及焊接時能否耐焊接高溫，都直接影響芯片共晶焊接的可靠性。一般，鍍金層的厚度至少要1μm～2μm，才能獲得良好的共晶效果。且鍍金層下還需打鎳底，以提高鍍金層的耐焊性。

（3） 表面清潔度。共晶焊片在熔融狀態(tài)時與載體焊區(qū)導(dǎo)體和芯片背面金屬化層的浸潤是實現(xiàn)共晶焊的基礎(chǔ)。若共晶界面被有機殘余物、無機鹽類沾污或被氧化，則會直接影響焊片在共晶界面的浸潤能力，造成共晶合金不能完全擴散，以致難以形成有效的共晶焊接。因此，在焊接前必須去除共晶界面的各種沾污，具體方法包括：超聲清洗、化學(xué)清洗、等離子清洗和機械清洗等。不僅基板和芯片需要清洗，若焊料出現(xiàn)氧化（氧化膜較厚），在共晶焊接前也需要清洗。清洗干凈后的工件應(yīng)當(dāng)存放在氮氣保護柜中進行保護。

（4） 共晶環(huán)境。良好的共晶環(huán)境可避免共晶焊料和共晶面在空氣中很快發(fā)生的氧化，表面氧化物的存在將會降低表面活能、降低焊料的濕潤性而使焊料在表面上的附著性變差。良好的共晶環(huán)境為惰性氣體保護或真空。

（5） 共晶溫度。由于熱量傳遞條件、溫度測量誤差等的影響，設(shè)置的焊接溫度通常要高于合金的熔點。當(dāng)焊接載體導(dǎo)熱性較差或熱容量較大時，焊接溫度要適當(dāng)?shù)奶岣?，預(yù)熱時間也要延長。在加入保護氣體時，保護氣體也要適當(dāng)加熱，以免降低焊焊接區(qū)域的溫度。但是，焊接溫度不宜過高，否則會使芯片特性變壞（如：擊穿電壓下降）。通常情況下，在共晶焊接中焊接溫度要高于共晶溫度30℃-50℃。在保證焊接效果的前提下，應(yīng)使焊接溫度保持時間盡可能短。

（6） 焊接壓力。焊接壓力一方面可以使母材與焊料形成緊密的接觸，有利于接觸反應(yīng)融化的進行，同時由于焊料受到擠壓沿著焊面間隙外溢活動，不僅有利于擠出氣體，而且有利于擠出因受壓而破碎的表面氧化物，從而降低空洞率。此外，適當(dāng)?shù)暮附訅毫δ軌蚍乐购噶鲜湛s，減少芯片邊緣地區(qū)空洞缺陷的發(fā)生率。

4　共晶質(zhì)量的檢測

影響共晶質(zhì)量的因素較多，且某些因素不可控，因此為了保證最終產(chǎn)品的質(zhì)量，需對其共晶質(zhì)量進行必要的檢測。主要的檢測方法有：

（1） 外觀檢查。采用體式顯微鏡對共晶焊外觀進行檢查，檢查的內(nèi)容主要有：共晶芯片的型號、平面布局或焊接取向是否符合圖紙要求；共晶面邊緣是否存在縫隙；共晶焊料是否溢出焊區(qū)而接近臨近的導(dǎo)帶、鍵合區(qū)或器件；焊料顏色是否有異常等。

（2） 剪切力測試。產(chǎn)品應(yīng)抽樣進行剪切力測試。應(yīng)用剪切力測試儀，按照相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求對芯片進行破壞性的剪切力測試，抽樣剪切力測試應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

（3） 空洞率測試。為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，建議所有產(chǎn)品都進行空洞率的測試。X光機和超聲掃描檢測設(shè)備都可對共晶焊接空洞率進行檢測，且均為無損檢測。因為共晶焊料層的厚度很薄，所以在利用X光進行檢測時，為了獲得較高的成像對比度，需精確的調(diào)節(jié)電壓、功率和圖像處理方式等參數(shù)。對銅等高密度材料載體上的共晶，由于需要很高的電壓和功率才能穿透載體，所以使用X光機很難獲得清晰的空洞圖像。超聲掃描檢測設(shè)備是利用超聲波的反射、透射機理來進行檢測的，因超聲在空氣中的傳播損耗較大，超聲掃描需在液體（水或酒精等）中進行?？斩绰实臏y試圖如圖2所示。

圖2　空洞率測試圖片

（4） 電性能測試。最后對器件進行電性能測試，檢測電性能是否滿足設(shè)計需求。

5　結(jié)束語

共晶焊技術(shù)在混合集成電路組裝過程中應(yīng)用廣泛，但影響共晶焊質(zhì)量的因素較多。設(shè)計和工藝人員應(yīng)根據(jù)實際產(chǎn)品需求合理的進行產(chǎn)品設(shè)計、焊料的選擇、工藝參數(shù)的優(yōu)化，并對產(chǎn)品進行嚴(yán)格的質(zhì)量檢測與分析，以獲得更高的共晶質(zhì)量。

［1］夏俊生.厚膜基板上芯片共晶焊研究［J］.混合微電子技術(shù)，2007，18卷 2期：10～16

［2］季興橋，高能武，陸吟泉等.大功率MMIC芯片真空共晶工藝研究［C］.見：2006年全國第十一屆微波集成電路與移動通信學(xué)術(shù)年會，199～202

［3］侯一雪，喬海靈，廖智利.混合電路基板與外殼的共晶焊技術(shù)［J］.電子與封裝，2007，52期：9～10

［4］陳波，丁榮崢，明雪飛.共晶焊料焊接的孔隙率研究［J］.電子與封裝，2012，12期：9～12

［5］謝飛，劉美鑰.真空共晶技術(shù)的研究應(yīng)用［J］.電子工藝技術(shù)，2006，27卷6期：344～347

［6］李孝軒.微波多芯片組件微組裝關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用研究［D］.南京理工大學(xué)碩士論文，2009年，10～12

The Eutectic Soldering Technology of the Assembling in Hybrid Integrated Circuit

Yang Zongliang1，F(xiàn)eng Xuqun2
（1.China Communication System Co.， Ltd. Hebei branch，Shijiazhuang，050081，China；2.Hebei Noah Human Resource Development Co.Ltd.，Shijiazhuang，050035，China）

Eutectic soldering is one important way of assembly of components.It plays an important role in the assembly of hybrid integrated circuits.This thesis describes the concept and characteristics of eutectic soldering，compares the advantages and disadvantages of eutectic soldering equipment，such as tweezers eutectic equipment.The basic characteristics and common form of solder are introduced.Analyzes the key factors which influencing eutectic quality，and explain the test method of eutectic quality.

Eutectic soldering；Hybrid integrated circuit；Shearing force

楊宗亮（1981- ），男，畢業(yè)于桂林電子科技大學(xué)，工程師，主要從事微波組件或模塊的組裝技術(shù)研究工作。