摘自高可靠電子裝聯技術  2021年9月1日

       共晶焊接是一種低熔點的合金焊接，它是指在相對較低的溫度下共晶焊料發生共晶物熔合的現象，共晶合金直接從固態變成液態，而不經過塑性階段。在對共晶焊接分析時可知，共晶焊料是由兩種或者兩種以上的若干金屬組成的合金。還有一個概念是共晶溫度，它是共晶材料的熔化溫度，它往往會受到共晶焊料中合金成分比例的影響 。

       1.AuSn (80/20)共晶點:280°C – 比較普遍金屬化合物比較隱定 

       2. AuSn (10/90)共晶點: 217°C – 金屬化合物比較不隱定 

       3. 80 Au 20 Sn =280℃熔點 

       4. 88 Au 12 Ge =356℃熔點 

       5. 98 Au 2 Si =370℃熔點 

       6. Ag3.5 Sn 96.5 =232℃熔點. 

、

       大功率LED普遍使用的材料: 

          – AuSn(80/20)共晶點：282°C

          – AgSn(3.5/96.5)共晶點：232°C

傳統固晶工藝如下： 

1）銀膠固晶：以銀粉+環氧樹脂在加熱的條件下(150℃/1h)固化的方式粘合晶片與支架 

2）絕緣膠固晶：以絕緣膠在加熱的條件下固化的方式粘合晶片與支架特點:A粘接強度大B絕緣膠透光可提升亮度 

共晶熔合金屬固晶方式; 使用特殊工藝制作的共晶晶片,利用超聲波振蕩使LED晶片底部的Sn/Au合金層熔化,與支架底部形成金屬與金屬的熔合。

共晶熔合金屬固晶相比于傳統固晶方式的優點: 

1）金屬與金屬的熔合,有效降低歐姆阻抗

2）有效提升熱傳導效率

共晶固晶的應用特點:

1）有效提升熱傳導效率

2）延緩LED亮度衰減 

3）提高LED的熱穩定性 

4）適應功率型LED工作時的散熱要求，為功率型LED進入照明應用領域打下基礎 

IC芯片與基板的焊接是共晶焊接的主要應用方向。通常使用金錫(AuSn 80／20)、金硅(AuSi)、金鍺(AuGe)等合金材料的焊片將芯片焊接到基板(載板)上，合金焊片放在IC與基板問的焊盤上。為了抑制氧化物的形成，通常在IC的背面鍍一層金。以上3種焊料已經被成功地使用于器件進行高溫處理，它具有好的機械性能和熱傳導性。 

雖然環氧導電膠粘接工藝中導電膠和緣絕膠貼片非常方便，生產率高。但在微波頻率高或功率大時，由于導電膠的電阻率大(100～500μΩ?cm)、導熱系數(2～8 W／m?k)小，會造成微波損耗大，管芯熱阻大，結溫高，影響功率輸出和可靠性。因此對于頻率高、功率大的器件，只能采用共晶焊接。 

焊料的選用：焊料是共晶焊接非常關鍵的因素，有多種合金可以作為焊料，如AuGe、AuSn、AuSi、Snln、SnAg、SnBi等，各種焊料因其各自的特性適于不同的應用場合。如：含銀的焊料SnAg，易于與鍍層含銀的端面接合，含金、含銦的合金焊料易于與鍍層含金的端面接合。

   空洞的產生：若焊料存放時間過長，會使其表面的氧化層過厚，因焊接過程中沒有人工干預，氧化層是很難去除的，焊料熔化后留下的氧化膜會在焊后形成空洞。在焊接過程中向爐腔內充入少量氫氣，可以起到還原部分氧化物的作用，但最好是使用新焊料，使氧化程度降到最低。 

空洞產生后，需降低空洞率。共晶后，空洞率是一項重要的檢測指標，如何降低空洞率是共晶的關鍵技術。空洞通常是由焊料表面的氧化膜、粉塵微粒、熔化時未排出的氣泡形成。由氧化物所形成的膜會阻礙金屬化表面的結合部相互滲透，留下的縫隙，冷卻凝結后形成空洞。 

消除空洞的主要方法有： 

1)共晶焊前清潔器件與焊料表面，去除雜質 

2)共晶時在器件上放置加壓裝置，直接施加正壓 

3)在真空環境下共晶 

共晶爐一般選用高純石墨夾具。其優點是：在一個氧化環境中，石墨中的碳形成CO和CO2，背"擦干"氧氣的優點。石墨是各向同性材料，晶粒在所有方向上均勻、密集分布，受熱均勻。焊接元件被固定在石墨上，熱量直接傳導，加熱均勻，焊接面平整。 

高純石墨夾具具有以下特點： 

1)高溫變形小，對器件影響較小 

2)導熱性好，有利于熱量傳播，使溫度均勻性好 

3)化學穩定好，長期使用不變質 

4)可塑性好，容易加工 

5）甚至有助于共晶

影響共晶焊接的因素：

真空度：在共晶焊接過程中，如果真空度太低，焊區周圍的氣體以及焊料、被焊器件焊接時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，擴大IC 斷裂的可能。但是如果真空度太高，在加熱過程中傳導介質變少，容易產生共晶焊料達到熔點但還沒有熔化的現象。在實踐中，通常對共晶焊接時的真空度要求為5Pa和10Pa之間。但對于一些內部要求真空度的器件來說，真空度要求往往更高，一般到5×10-2 Pa和5×10-3Pa之間，甚至更高。 

保護氣氛：當前應用的保護氣氛主要有氮氣保護焊和甲酸氣氛保護焊兩種。前者主要應用于體積比較大，而沒有明顯焊接高要求的器件。在使用時，可以將真空爐抽成真空然后再將氮氣注入，并且要多次循環，以將真空爐中保持較高的氮氣濃度；而后者主要應用于含銦的焊料時，在使用時，通過對流量的控制，來達到對進氣量和抽氣速度的控制，將真空度保持在2000Pa的條件下，以達到高溫時能對氧化物進行有效還原。 

       壓力的影響 : 在進行共晶焊接時，芯片上方施加的壓力大小也會直接對焊接的質量產生直接影響。用真空可控氣氛共晶爐在真空環境下實現共晶時，常常在加熱的石墨夾具上設置相關裝置來完成對芯片的加壓過程。值得注意的是，針對不同的芯片產品，所施加的壓力都是不同的，從數克壓力至數十克壓力不等。對壓力大小的控制可以通過壓塊自重來實現。當然，還存在著一些比較特殊的加壓方式，比如彈簧加壓等，由于原理較為復雜，實踐使用中也比較麻煩，所以應用并不是很廣泛。 

         甲酸氣氛保護下的In焊料 ：影響芯片焊接質量的因素比較多，除了芯片載體表面的潔凈度等物理因素，還有在焊接過程中如何對焊料表面的氧化層的去除，以達到芯片與焊料、載體的浸潤狀態。這里綜合考慮各方面因素，對比較有代表性的、延展性較好的In焊料進行探討。它的熔點比較低，而且比較容易氧化，在焊接過程中總會產生不同程度的氧化，這種氧化物比較穩定，低溫下難以去除，如果不能去除的話，就會對芯片的焊接強度以及散熱等方面產品影響.

共晶貼片（有時稱為共晶貼片粘結）是用于需要增強散熱的裝置（如高功率放大器）的貼片技術。當涉及傳統貼片環氧樹脂的釋放氣體時也使用此技術。金錫、金鍺和金硅是三種常見的共晶合金。簡而言之，通過將封裝或基片放置于可受到熱控制的表面上或將封裝或基片移動到該表面來自動實現共晶貼片工藝。然后自動化系統將焊膏和模片按順序放置于基片上。之后急劇升溫，實現回流。在理想情況下，由于產能和質量的原因，迅速進行溫度劇變。工藝必須在惰性環境中進行，避免氧化。使用稱為擦洗的技術可以實現無空隙粘結。下面我們將詳細介紹共晶貼片工藝，包括使用同時加工多個部件的聯機方法的自動化系統。

焊料回流共晶貼片

共晶貼片被定義為使用中間焊料合金在兩個表面之間形成連續粘結的工藝。共晶貼片是一種貼片技術，主要用于針對標準貼片粘結材料進行釋放氣體敏感的氣密封裝。例如，在光電子應用中，這通常意味著兩個鍍金表面通過鉛錫、金錫或金鍺焊料接合。為實現該粘結，一般將焊膏放置于一個元件（通常為載體或基臺）上；然后使第二元件（通常為微波裝置、光探測器或激光芯片）對接焊膏。通過加熱組件放置的基底，或通過使加熱的氣體流過組件使組件的溫度升高到正好高于焊料的熔點。正如焊料液化，通過適當的力放置芯片。使部件冷卻到回流溫度以下并完成共晶貼片。根據裝置類型和構造，可以在放置過程中使用擦洗。使用共晶組合物使共晶貼片工藝溫度降至最低。

擦洗

擦洗步驟包括在裝置放置到基片期間將垂直和側向力同時施加到裝置。芯片通常沿負向移動三至五密耳 (0.003–0.005″)，然后沿x軸或y軸方向進行類似但正向的移動；重復該步驟幾回。還可以沿另一個方向移動。有時采用旋轉擦洗。擦洗參數包括x、y和θ方向的振幅、速度和頻率。參數由工藝要求確定，如芯片的表面積或載體的質量以及工藝限制（如鄰近模片的接近程度）。在三種材料中，擦洗是常見材（粘結）形成的關鍵工藝步驟。擠出空氣會減少空隙。另外，焊料更好地分布于模片上，壓力有助于擴散過程。

保護氣體

在部件受熱期間，控制其中焊接過程的進氣至關重要。共晶貼片通常在惰性環境中進行，防止粘結表面氧化。可以使用90–95%氮氫混合氣，使其中的氫氣用于形成粘結。

對于金硅共晶，自動化視覺系統會登記該封裝。然后機器拾取和放置模片，使用擦洗操作（如上所述）促進共晶貼片的形成。氫氣和氮氣的加熱保護氣體通常存在于共晶貼片區域。

對于焊料回流共晶貼片（如砷化鎵 (GaAs) 和氮化鎵 (GaN) 模片的金錫 (Au/Sn) 粘結），系統會校準封裝，然后拾取焊膏并放置于加熱的封裝上（如果需要，可以預先放置焊膏）（圖4）。要進行回流，需拾取模片并放置于其所需放置的位置，并且擦洗，同時通過脈沖加熱共晶貼片階段使共晶貼片位置處的溫度升高。

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