提高共晶焊接冷卻效率的研究

王晉強(qiáng)，田志峰，張澤義，陳思銘

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原 030024）

共晶技術(shù)是近幾年來(lái)出現(xiàn)的一種利用共晶合金的特性實(shí)現(xiàn)芯片與基板、基板與管殼、蓋板與殼體焊接的技術(shù)。隨著芯片集成產(chǎn)品功率的增加，越來(lái)越多的芯片需要使用共晶技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。常規(guī)焊接設(shè)備采用氣氛保護(hù)共晶技術(shù)和真空共晶技術(shù)[1]，冷卻模式均采用氣氛冷卻技術(shù)（氣冷），基本上能夠解決大面積薄形功率芯片的無(wú)（低）空洞焊接。近幾年來(lái)，真空共晶技術(shù)在混合集成電路領(lǐng)域得到了比較廣泛的應(yīng)用，且隨著芯片制造技術(shù)的延伸和生產(chǎn)能力需求的加大，共晶焊接工藝對(duì)冷卻過(guò)程控制的要求越來(lái)越高，要求冷卻過(guò)程越來(lái)越短，尤其是在大批量生產(chǎn)情況下，其冷卻速率慢嚴(yán)重制約生產(chǎn)效率；同時(shí)隨著產(chǎn)品性能的要求越來(lái)越高，如何在冷卻過(guò)程中降低焊接空洞率、獲得細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)、提高結(jié)合強(qiáng)度成為一個(gè)研究方向。

1 設(shè)備冷卻系統(tǒng)現(xiàn)狀

本文內(nèi)容對(duì)GJL-2023規(guī)格真空共晶爐氣冷系統(tǒng)的冷卻能力進(jìn)行測(cè)試，結(jié)合測(cè)試數(shù)據(jù)和進(jìn)口設(shè)備相關(guān)資料，總結(jié)氣冷模式最大冷卻速率為2℃/s，市場(chǎng)上現(xiàn)有常規(guī)共晶設(shè)備多數(shù)采用氣冷降溫。進(jìn)口設(shè)備以德國(guó)ATV進(jìn)口設(shè)備SRO-706共晶回流爐為例，其冷卻模式為氮?dú)饫鋮s，最大冷卻速率指標(biāo)為2℃/s；國(guó)產(chǎn)設(shè)備以GJL-2023規(guī)格真空共晶爐為例，實(shí)際冷卻速率基本在1.3～1.7℃/s左右，最大冷卻速率為2℃/s，其冷卻模式為氮?dú)饫鋮s。

最大冷卻速率時(shí)的設(shè)定值：冷卻壓力為0.4 MPa，流量為150 L/min?？紤]以下方面：一是現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)元器件承受最大壓差的能力限制，設(shè)定值已經(jīng)接近上限；二是空間內(nèi)的零件主要是小型元器件，其質(zhì)量較小，在大氣流影響下容易產(chǎn)生移位、翻轉(zhuǎn)、翹曲等問(wèn)題；三是冷卻氣體進(jìn)入腔體后，其冷卻能力嚴(yán)重受氣路設(shè)計(jì)、進(jìn)出氣口管徑、進(jìn)出氣口壓差等因素制約。因此，其冷卻能力受氣體及結(jié)構(gòu)因素限制，基本限制在2℃/s以內(nèi)。要想獲得高于現(xiàn)有冷卻速率的冷卻能力，氣冷模式已經(jīng)不能滿足需求。

另外，冷卻速率的大小直接影響焊接質(zhì)量，冷卻速率對(duì)產(chǎn)品焊接質(zhì)量的影響主要體現(xiàn)在連續(xù)冷卻的時(shí)候，冷卻速率的大小影響相變時(shí)過(guò)冷度的大小，并且正是過(guò)冷度的大小影響組織形貌和結(jié)晶類型[2]，隨著冷卻速率的增加，過(guò)冷度也會(huì)增加。在具有較大過(guò)冷度的情況下，形核率增加的速率比晶核長(zhǎng)大的速率更快，從而可以獲得更細(xì)的晶粒結(jié)構(gòu)。因此，提高現(xiàn)有焊接設(shè)備冷卻模式的冷卻速率，對(duì)提高焊接效率、獲得細(xì)化焊接晶粒、提高焊接質(zhì)量有至關(guān)重要的作用。

2 改進(jìn)后的冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)高冷卻速率工藝，在現(xiàn)有GJL-2023規(guī)格真空共晶爐設(shè)備基礎(chǔ)上，利用成熟結(jié)構(gòu)，研發(fā)了一套新型水冷模式。冷卻平臺(tái)結(jié)構(gòu)見(jiàn)第90頁(yè)圖1。

圖1 冷卻平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

該平臺(tái)可應(yīng)用于真空條件下的快速冷卻降溫，水冷模式采用的是新研制的可在真空條件下使用的水冷卻板。水冷卻板結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 水冷卻板結(jié)構(gòu)圖

設(shè)計(jì)冷卻水路引入接口，見(jiàn)圖3。

圖3 冷卻水路引入接口圖

該平臺(tái)采用導(dǎo)熱能力較好的鋁材制成水冷卻板，中間采用特殊工藝處理制成內(nèi)置水道，接口處采用真空接口轉(zhuǎn)接至腔體外側(cè)，實(shí)現(xiàn)冷卻水源在真空條件下引入水冷卻板內(nèi)。搭載高溫工件的工裝由熱板轉(zhuǎn)移至水冷卻板后，工件及工裝熱量會(huì)迅速通過(guò)熱傳導(dǎo)方式被冷卻水源帶走，從而實(shí)現(xiàn)快速冷卻降溫。

新型冷卻模式充分利用了低溫水源熱交換制冷效應(yīng)。使用標(biāo)準(zhǔn)5200T冷水機(jī)提供穩(wěn)定冷卻水源，穩(wěn)定提供20℃低溫水源，進(jìn)行冷卻速率測(cè)試。以水冷卻板上工件表面溫度為溫度測(cè)定面，采用直徑為0.5 mm的WRNK型熱偶作為測(cè)溫偶貼裝在工件焊接面上進(jìn)行測(cè)溫，工件在235℃溫度下轉(zhuǎn)移至水冷卻板上，工件表面熱偶測(cè)試的冷卻速率測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 冷卻速率測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)

由表1數(shù)據(jù)，繪制水冷卻板降溫曲線，見(jiàn)圖4。

圖4 水冷卻板降溫曲線圖

數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，新型水冷結(jié)構(gòu)的冷卻速率可達(dá)4～12℃/s，實(shí)現(xiàn)冷卻速率大于2℃/s。按前述理論可知，高冷卻速率會(huì)形成更細(xì)的晶粒結(jié)構(gòu)，因此，對(duì)于相同規(guī)格的焊接層，與低冷卻速率形成的焊接層相比，高冷卻速率形成的焊接層的空洞率要遠(yuǎn)低于低冷卻速率形成的焊接層的空洞率。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

以鉛錫焊料Pb63Sn37為例進(jìn)行焊接質(zhì)量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：一是在原有氣冷模式的真空共晶焊接設(shè)備內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，繪制實(shí)驗(yàn)的焊接工藝曲線，實(shí)驗(yàn)的冷卻速率為80℃/min，模式為氮?dú)饫鋮s，流量為150 L/min；二是在增加了水冷卻板的改進(jìn)設(shè)備內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，設(shè)備增裝了圖2所示的新型水冷卻板結(jié)構(gòu)，使設(shè)備的冷卻速率提高到4～12℃/s，實(shí)驗(yàn)的焊接工藝曲線采用與氣冷模式相同的焊接工藝曲線，冷卻模式為水冷，水溫為20℃，流量為4 L/min。

本文采用在相同規(guī)格設(shè)備上、相同工藝溫度情況下做2次不同冷卻速率的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行焊接驗(yàn)證，利用X射線儀對(duì)焊接后的芯片進(jìn)行照片分析比較。圖5為不同冷卻速率下芯片焊接的X射線照片，其中，圖5-a是在氣冷模式下冷卻焊接的，冷卻速率為80℃/min；圖5-b是在水冷模式下冷卻焊接的，冷卻速率為240℃/min。

圖5 不同冷卻速率下芯片焊接的X射線照片

對(duì)比圖5-a和圖5-b可以發(fā)現(xiàn)，不同冷卻速率對(duì)焊接空洞率的影響比較明顯。通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)焊接后的晶粒結(jié)構(gòu)做X射線照片分析比較，也驗(yàn)證了冷卻速率在4～12℃/s高冷卻速率的條件下，焊接空洞率較小，晶粒細(xì)化效果明顯。通過(guò)冷卻速率對(duì)比分析可知，新型水冷結(jié)構(gòu)的冷卻效率比氣冷結(jié)構(gòu)的冷卻效率提高200%以上；采用新型水冷卻板冷卻結(jié)構(gòu)可獲得比常規(guī)氣冷模式更細(xì)的結(jié)晶粒度，有效降低焊接空洞率，提升焊接質(zhì)量。

4 結(jié)論

本文通過(guò)上述分析，得出以下結(jié)論：一是新研制出的快速冷卻結(jié)構(gòu)是一種能在真空條件下使用的具備高冷卻速率的結(jié)構(gòu)，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)和冷卻工藝無(wú)論是在細(xì)化焊料的結(jié)晶粒度方面，還是在降低焊接空洞率方面，都有明顯的優(yōu)勢(shì)；二是在相同的工藝條件下，采用提高冷卻速率的方法，可以得到細(xì)化的晶粒結(jié)構(gòu)，提高焊接強(qiáng)度和提高焊接質(zhì)量；三是改進(jìn)后的快速冷卻結(jié)構(gòu)的冷卻速率較快，有效地提高了設(shè)備生產(chǎn)效率。