共讀好書(shū)

李娜(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所)

摘要：

銦鉛銀焊料(154 ℃)熔點(diǎn)可與鉛錫焊料(183 ℃)拉開(kāi)溫度梯度，且熱導(dǎo)率高于導(dǎo)電膠，可滿(mǎn)足功率器件的散熱要求，因此該焊料在組件類(lèi)產(chǎn)品功率芯片載體裝配工藝中應(yīng)用廣泛。傳統(tǒng)的手工燒結(jié)方式具有熔融時(shí)間長(zhǎng)、生產(chǎn)效率低、可靠性差等缺點(diǎn)，通過(guò)對(duì)基于銦鉛銀低溫焊料的真空燒結(jié)工藝的助焊劑選取、焊料厚度和尺寸、工裝夾具設(shè)計(jì)、真空燒結(jié)曲線(xiàn)調(diào)試等幾個(gè)方面進(jìn)行研究，最終摸索出一種適用于銦鉛銀低溫焊料的真空燒結(jié)工藝方法。

0 引言

常用的芯片安裝技術(shù)主要包括焊料燒結(jié)和導(dǎo)電膠粘結(jié)，導(dǎo)電膠粘結(jié)工藝具有操作簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但其導(dǎo)熱性較差，對(duì)于功率較大需要散熱的芯片仍主要采用焊料燒結(jié)工藝。由于組件類(lèi)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通常包含有連接器、電路板、表貼阻容元件安裝等非芯片裝配工序，一般會(huì)用到 217 ℃(Sn96.5Ag3Cu0.5)和 183 ℃(Pb63Sn37)兩個(gè)溫度梯度，而芯片裝配工序需要與非芯片裝配工序拉開(kāi)溫度梯度，以保證上道工序裝配的可靠性。功率芯片通常使用金錫焊料燒結(jié)工藝先燒結(jié)到散熱較好的匹配載片上，再將載片用低溫焊料燒焊到盒體中，以達(dá)到較好的散熱效果。

銦鉛銀焊料(In80Pb15Ag5)作為低熔點(diǎn)電子焊接材料，可與 Pb63Sn37 焊料拉開(kāi)溫度梯度，且具有較高的熱導(dǎo)率、較強(qiáng)的抗疲勞性能，因此在組件類(lèi)產(chǎn)品功率載片裝配工藝中得到廣泛應(yīng)用。

傳統(tǒng)的手工燒結(jié)方式存在如下問(wèn)題：(1)焊料浸潤(rùn)性差，需要載體和盒體先搪錫，再進(jìn)行燒結(jié)，效率很低；(2)由于產(chǎn)品尺寸限制載體入盒無(wú)法預(yù)留足夠摩擦空間，導(dǎo)致載體與盒體上搪的錫無(wú)法充分融合，后期出現(xiàn)載體脫落的質(zhì)量問(wèn)題；(3)很多產(chǎn)品要燒結(jié)十幾甚至二十幾個(gè)東西，手工摩擦需要逐個(gè)進(jìn)行燒結(jié)，由于熔融時(shí)間過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致最先燒結(jié)的載體焊料發(fā)干，后期易出現(xiàn)載體脫落的質(zhì)量問(wèn)題。

基于以上原因，急需對(duì)基于 154 ℃低溫焊料的真空燒結(jié)工藝進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)基于 154 ℃低溫焊料的低空洞率真空燒結(jié)。

1 低溫焊料的真空燒結(jié)工藝影響因素

1.1 載體及盒體背面金屬化

154 ℃焊料中的銦元素可與金形成合金，且銦對(duì)金的溶蝕作用遠(yuǎn)比錫小 [1] ，不會(huì)形成 " 金脆" 效應(yīng)，因此含銦焊料可適用于厚金材料的焊接。一般用于焊接的材料鍍層采用鎳 - 金兩層金屬化結(jié)構(gòu)，對(duì)于較常使用的鉬銅載體，鎳層可形成阻擋層，避免銅元素向鍍金層中的擴(kuò)散，保證鍍金層的純度，保證與焊料的焊接質(zhì)量。由于盒體通常需要同時(shí)適應(yīng)含錫焊料的焊接，因此盒體鍍金層一般不大于 0.5 微米，這就要求載體鍍金層厚度需要厚一點(diǎn)，以保證銦鉛合金中金元素的百分比，載體鍍金層厚度一般要在 1 微米以上，較厚的鍍金層有利于銦與金的合金成核過(guò)程，提高焊料與載體的焊料強(qiáng)度和焊接質(zhì)量。

1.2 原材料表面狀態(tài)

通常情況下，組件產(chǎn)品的非芯片裝配工藝在芯片裝配工藝之前，因此功率載體入盒時(shí)盒體已經(jīng)過(guò)了多次焊接過(guò)程，前道工序的助焊劑殘留或者其他污染源引入均會(huì)導(dǎo)致待焊接表面粘污，從而影響該表面的潤(rùn)濕性，導(dǎo)致焊料熔融狀態(tài)鋪展不良，對(duì)焊接效果造成很?chē)?yán)重的影響 [2] 。因此在焊接前需對(duì)盒體待焊接面進(jìn)行清潔，以除去其表面粘污，保證焊接質(zhì)量。

1.3 真空燒結(jié)工藝曲線(xiàn)

真空燒結(jié)是指在一定的真空度下，利用熔點(diǎn)比被焊接材料的熔點(diǎn)更低的合金做釬料，通過(guò)加熱使釬料熔化，靠毛細(xì)作用將液態(tài)焊料填充到焊接接觸面的間隙中，通過(guò)液態(tài)焊料與被焊金屬之間相互擴(kuò)散溶解形成金屬間化合物，最后經(jīng)過(guò)冷卻形成高可靠的焊接 [3] 。

真空燒結(jié)溫度曲線(xiàn)一般由四部分組成：預(yù)熱區(qū)、保溫區(qū)、峰值區(qū)、冷卻區(qū)。預(yù)熱區(qū)主要用來(lái)對(duì)原材料進(jìn)行預(yù)熱，提高焊料活性，進(jìn)而保證粘接效果；保溫區(qū)主要用來(lái)保證原材料受熱均勻，減小溫差造成的影響，同時(shí)可以在助焊劑或者還原氣體的作用下去除原材料表面的氧化膜；峰值區(qū)主要用于焊料的共晶反應(yīng)，生成金屬間化合物，實(shí)現(xiàn)原材料之間的焊接；冷卻區(qū)主要用于控制冷卻速度，避免冷卻速度過(guò)快或過(guò)慢影響金屬間化合物的晶粒生長(zhǎng)，最終導(dǎo)致粘接強(qiáng)度下降等問(wèn)題 [4] 。通過(guò)設(shè)置合適的溫度曲線(xiàn)并在合適的溫度點(diǎn)進(jìn)行抽真空過(guò)程，來(lái)確保焊料中的氣泡或者助焊劑被抽出，從而實(shí)現(xiàn)低空洞率燒結(jié)。

2 低溫焊料真空燒結(jié)工藝研究

2.1 焊接表面處理

由于組件類(lèi)盒體在載體入盒前通常已經(jīng)過(guò)了多次焊接過(guò)程，其表面粘污對(duì)燒結(jié)質(zhì)量影響較大，為保證燒結(jié)質(zhì)量需要對(duì)焊接表面進(jìn)行預(yù)處理。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，兩種方式可實(shí)現(xiàn)焊接表面的清潔：當(dāng)表面無(wú)可見(jiàn)粘污時(shí)，可采用等離子清洗的方式進(jìn)行焊接表面清潔，該方式效率較高，但僅適用于輕微污染表面；當(dāng)表面有肉眼可見(jiàn)粘污時(shí)，需要用乙醇棉進(jìn)行擦拭，保證清潔效果。

2.2 焊料選擇

154 ℃低溫焊料成分為In80Pb15Ag5，主要形式有焊片和焊錫絲等。焊片具有可再次加工成型、易實(shí)現(xiàn)定量控制等優(yōu)點(diǎn)，更適合于真空燒結(jié)工藝應(yīng)用。

焊片的厚度和大小決定了焊料量的多少，分別對(duì)厚度為 100 μm、75 μm、50 μm 的焊料進(jìn)行了試驗(yàn)，厚度為 100 μm 的焊料在不加壓時(shí)燒結(jié)后載體傾斜嚴(yán)重，影響后續(xù)鍵合；75 μm 厚度焊料的燒結(jié)空洞率明顯優(yōu)于50 μm 焊料，這是因?yàn)殂f銅載體一般較薄，在經(jīng)過(guò)金錫燒結(jié)后通常會(huì)有一定的形變，較厚的焊料可彌補(bǔ)載體形變?cè)斐傻目障?，保證焊料和載體的接觸面積，從而保證燒結(jié)質(zhì)量。因此確定了最佳焊料厚度為 75 μm。圖 1 所示為 50 μm厚度焊料和 75 μm 厚度焊料燒結(jié)后的 X光照片。

焊片的尺寸對(duì)燒結(jié)效果影響也較大，由于銦鉛銀焊料浸潤(rùn)性較差，需要使用助焊劑進(jìn)行燒焊，當(dāng)焊料尺寸較大時(shí)，焊料熔融時(shí)會(huì)迅速與載體邊緣形成包角，導(dǎo)致助焊劑不易被抽出，空洞率較大；焊料面積過(guò)小時(shí)，焊料流動(dòng)性差，無(wú)法浸潤(rùn)到載體邊緣，導(dǎo)致載體邊緣空洞率差，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)最終確定了最佳的焊料尺寸為載體面積*80%。

2.3 工裝夾具設(shè)計(jì)

通過(guò)壓塊的方式提供適當(dāng)?shù)膲毫梢栽谝欢ǔ潭壬显龃蠛附用娣e [5] ，減少焊料與焊接面之間的空隙，保證焊接質(zhì)量。

組件內(nèi)待入盒的載體通常都已燒結(jié)好芯片，壓塊直接對(duì)芯片加壓會(huì)損傷芯片，因此需設(shè)計(jì)鏤空壓塊將芯片位置讓開(kāi)進(jìn)行加壓，如圖 2 所示。

對(duì)于 TR 組件類(lèi)產(chǎn)品需要對(duì)很多個(gè)載體(通常有幾十個(gè)之多)同時(shí)加壓，使用壓塊加壓效率很低，因此設(shè)計(jì)了探針加壓工裝：在工裝橫梁上固定很多根彈簧探針，探針在載體上未安裝芯片的位置進(jìn)行加壓，彈簧探針工裝可實(shí)現(xiàn)多載體的同時(shí)加壓。圖 3 所示為專(zhuān)供 TR 組件載體裝配使用的彈簧探針加壓工裝。

2.4 真空燒結(jié)工藝曲線(xiàn)

真空燒結(jié)工藝曲線(xiàn)對(duì)燒結(jié)質(zhì)量具有直接影響。為了保證良好的燒結(jié)效果，應(yīng)該選擇合適的預(yù)熱溫度，并進(jìn)行充足的預(yù)熱，同時(shí)選擇合適的燒結(jié)溫度與時(shí)間，避免溫度不足導(dǎo)致無(wú)法充分反應(yīng)或時(shí)間過(guò)長(zhǎng)反應(yīng)過(guò)度、溫度過(guò)高導(dǎo)致 183 ℃焊料熔融等情況的出現(xiàn)。抽真空的時(shí)機(jī)也很重要，由于工藝過(guò)程中使用了助焊劑，需要在燒結(jié)過(guò)程中將助焊劑充分抽出，以保證燒結(jié)空洞率。因此低溫焊料的真空燒結(jié)工藝需改變傳統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)思路。

傳統(tǒng)真空燒結(jié)曲線(xiàn)如圖 4 所示，在常溫時(shí)進(jìn)行兩次抽真空 - 充氮?dú)庋h(huán)進(jìn)行氣氛換氣，隨后在真空下進(jìn)行升溫，這一過(guò)程主要是為了防止焊料氧化；當(dāng)溫度升到最高點(diǎn)時(shí)充入少許氮?dú)?60 Torr~150 Torr 之間)進(jìn)行導(dǎo)熱使焊料熔融，焊料熔融狀態(tài)下開(kāi)始抽真空以抽出焊料中的氣泡，之后開(kāi)始降溫進(jìn)入冷卻區(qū)。

154 ℃低溫焊料的真空燒結(jié)程序曲線(xiàn)如圖 5 所示，經(jīng)過(guò)兩次換氣后在常壓下進(jìn)行升溫，原因是銦鉛銀低溫入盒工藝主要應(yīng)用于組件類(lèi)產(chǎn)品，很多產(chǎn)品背面有腔體，真空狀態(tài)升溫很慢，常壓下可實(shí)現(xiàn)氣體輔助升溫，且有助焊劑不會(huì)導(dǎo)致焊料氧化；在焊料熔融前開(kāi)始抽真空，因?yàn)楫?dāng)焊料熔融后助焊劑較難抽出；然后進(jìn)氣等待焊料熔化，熔化后再進(jìn)行三次抽真空 - 充氮?dú)獾难h(huán)，這樣可將大的氣泡吹散，保證燒結(jié)空洞率。

該程序還可實(shí)現(xiàn)組件產(chǎn)品的快速程序調(diào)試，快速實(shí)現(xiàn)多品種小批量特征明顯的產(chǎn)品生產(chǎn)。將程序最高溫度控制在 185-190 ℃，以確保 Pb63Sn37(183 ℃)焊料不會(huì)熔融，當(dāng)進(jìn)行新產(chǎn)品調(diào)程序時(shí)，將真空燒結(jié)爐的測(cè)溫?zé)崤贾糜诤畜w表面進(jìn)行盒體溫度監(jiān)測(cè)，通過(guò)延長(zhǎng)最高溫進(jìn)氣時(shí)間使焊料熔融，試驗(yàn)一爐后即可確定最終燒結(jié)程序。

3 試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過(guò)以上各項(xiàng)工藝研究，基于銦鉛銀低溫焊料的真空燒結(jié)工藝達(dá)到了較好的燒結(jié)效果，可實(shí)現(xiàn)燒結(jié)空洞率<10%，滿(mǎn)足功率載體入盒的工藝要求。圖 6 所示為 TR組件低溫焊料真空燒結(jié)后的 X 光照片。

4 結(jié)束語(yǔ)

154 ℃低溫焊料的真空燒結(jié)工藝與原材料表面狀態(tài)、焊料厚度及尺寸、加壓情況、真空燒結(jié)工藝參數(shù)等因素有關(guān)，通過(guò)有效的表面處理措施、合適的焊料厚度及尺寸選擇、工裝夾具設(shè)計(jì)及真空燒結(jié)工藝曲線(xiàn)調(diào)試，得到了較好的燒結(jié)效果，實(shí)現(xiàn)了組件類(lèi)產(chǎn)品功率載體的低空洞率燒結(jié)。

隨著 TR 組件及微波組件類(lèi)產(chǎn)品在各類(lèi)工程中的廣泛應(yīng)用，154 ℃低溫焊料真空燒結(jié)工藝為該類(lèi)產(chǎn)品的功率載體入盒提供了合理的工藝路線(xiàn)和適合工程化應(yīng)用的工藝方法，可大大提高生產(chǎn)效率和燒結(jié)質(zhì)量。

審核編輯 黃宇