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微組裝領(lǐng)域知識(shí)研討分享

本篇主要介紹微波芯片全自動(dòng)金錫共晶焊接工藝。

采用全自動(dòng)設(shè)備對(duì)微波砷化鎵芯片與可伐載體進(jìn)行金錫共晶焊接，并利用顯微鏡、X-ray測(cè)試、推拉力測(cè)試等方法對(duì)樣件外觀、空洞率和焊接強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè) 。

多芯片組件是當(dāng)前微波毫米波電子系統(tǒng)領(lǐng)域的代表產(chǎn)品，可滿足軍用、宇航電子裝備和巨型計(jì)算機(jī)微小型化、高可靠、高性能等方面的需求。目前器件微組裝主要有環(huán)氧導(dǎo)電膠粘接和共晶焊接兩種方式。

與傳統(tǒng)的環(huán)氧導(dǎo)電膠粘接相比（如表1），共晶焊接具有熱導(dǎo)率高、電阻率低、微波損耗小、散熱均勻、可靠性強(qiáng)和剪切強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，在高頻器件、大功率器件、對(duì)散熱要求高器件的組裝方面具有很大優(yōu)勢(shì)。

微波芯片采用金錫共晶焊接時(shí)，有手動(dòng)和自動(dòng)兩種方式。手動(dòng)摩擦焊接時(shí)用鑷子夾持住芯片，使其與涂覆有焊料的載體作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，去除接觸面的氧化物，通過摩擦迅速形成互聯(lián)界面。該方法雖然裝置簡(jiǎn)單、操作方式、靈活性大、適應(yīng)不同尺寸芯片，但缺點(diǎn)是焊接精度和一致性差，芯片表面易被鑷子劃傷或產(chǎn)生崩邊，且對(duì)焊接人員技能要求高。

自動(dòng)共晶焊接可通過全自動(dòng)貼裝機(jī)實(shí)現(xiàn)，優(yōu)點(diǎn)是可準(zhǔn)確定位到芯片焊接位置，焊接溢出較穩(wěn)定，組裝一致性高，不損傷芯片，生產(chǎn)效率高，可進(jìn)行大批量生產(chǎn)。但缺點(diǎn)是對(duì)物料一致性要求和對(duì)設(shè)備吸嘴與芯片匹配度的要求高。下面對(duì)微波砷化鎵芯片與可伐載體進(jìn)行自動(dòng)金錫共晶焊接進(jìn)行分析，對(duì)影響共晶焊接質(zhì)量的幾個(gè)工藝參數(shù)（焊接方式、焊片裁切方式、焊接尺寸、摩擦幅度等）進(jìn)行了研究，以滿足高可靠微波砷化鎵芯片共晶焊工藝的工程化應(yīng)用需求。

一、共晶焊接原理

共晶焊接是一種低熔點(diǎn)的合金焊接，是在相對(duì)較低的溫度下共晶焊料發(fā)生共晶物熔合的現(xiàn)象，共晶合金不經(jīng)過塑性階段直接從固態(tài)變成液態(tài)。金錫共晶焊接主要過程為熔融焊料在基板表面的潤(rùn)濕和鋪展，繼而芯片和基板表面的金有少量會(huì)擴(kuò)散至熔融焊料，冷卻后會(huì)形成合金焊料與金層之間原子間的結(jié)合，完成芯片與基板的共晶焊接。

二、全自動(dòng)共晶焊接工藝介紹

1、全自動(dòng)貼裝原理

與手動(dòng)摩擦焊接不同的是，全自動(dòng)共晶焊接時(shí)設(shè)備只需要執(zhí)行編輯好的程序和參數(shù)設(shè)置即可。其工作原理是：利用物料編程概念，按圖像識(shí)別原理，使用坐標(biāo)系統(tǒng)定位到目標(biāo)物料，設(shè)置動(dòng)作參數(shù)，完成全自動(dòng)共晶焊接過程。

2、焊接過程

全自動(dòng)共晶焊接整個(gè)過程包括：焊接前準(zhǔn)備工件（包括產(chǎn)品組裝圖識(shí)別、設(shè)備夾持工具調(diào)節(jié)、芯片用吸嘴選取），物料準(zhǔn)備（熱沉清洗、焊片裁切清洗、物料擺放、吸嘴校準(zhǔn)），編輯程序（包括加熱曲線設(shè)置、焊接工藝參數(shù)設(shè)置），運(yùn)行程序執(zhí)行焊接操作，效果檢查（首件外觀及空洞率，其余樣件外觀）。其中，吸嘴執(zhí)行的動(dòng)作依次為吸取并放置熱沉，吸取并放置焊片，吸取芯片--摩擦焊接，焊接熱沉組件吸取并放置到凝膠盒中。

3、吸嘴選用

全自動(dòng)焊接過程中，需要根據(jù)不同的器件（微波集成電路微帶（MIC）片、熱沉、焊片、芯片、焊接組件）選擇對(duì)應(yīng)的吸嘴，原則是：吸嘴制造精度高，耐高溫，尺寸與器件匹配，使用過程不會(huì)造成器件損傷等。

不同結(jié)構(gòu)吸嘴的具體使用情況見表2.

由于微波砷化鎵芯片表面存在空氣橋，考慮吸嘴與芯片匹配時(shí)，選擇摩擦焊接方式及兩邊型吸嘴可實(shí)現(xiàn)“一對(duì)多”，成本低，故焊接時(shí)芯片用兩邊型吸嘴，該吸嘴具體結(jié)構(gòu)如圖2所示

4、焊接效果影響因素

4.1焊接方式

目前全自動(dòng)共晶焊接具有兩種方式:靜壓與摩擦。靜壓方式下焊接時(shí)，設(shè)吸嘴與器件表面接觸，通過施加一定的壓力使載體和器件底面之間形成緊密的接觸。摩擦方式下焊接時(shí)，設(shè)備吸嘴則與芯片一組對(duì)邊接觸，并結(jié)合真空吸附，通過控制摩擦次數(shù)、摩擦幅度、摩擦速度，使芯片與載體作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在去除接觸面上的氧化物的同時(shí)，迅速形成互聯(lián)界面。

采用上述兩種方法對(duì)DB衰減器在可伐載體上進(jìn)行焊接，結(jié)果見表3及圖3.

靜壓時(shí)，衰減器焊接后發(fā)生傾斜的原因可能是與靜壓方式自身特點(diǎn)有關(guān)。當(dāng)衰減器置于焊片上后便觸發(fā)脈沖加熱曲線升溫，使焊料熔融，DB衰減器容易在該階段發(fā)生傾斜，甚至由于載體潤(rùn)濕不佳，焊料鋪展的幅度受到影響，進(jìn)而導(dǎo)致焊料堆積，該現(xiàn)象不利于多芯片焊接。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)中載體上為多芯片布局的情況，焊接空間受限制，因此認(rèn)為微波砷化鎵芯片合適的焊接方式為摩擦焊接。

4.2焊片裁切方式

全自動(dòng)設(shè)備焊接時(shí)，使用的是8020金錫焊片。焊接時(shí)考慮溢出，需要保證焊片與芯片的尺寸匹配，因此需要對(duì)大尺寸焊片進(jìn)行裁切。鑒于金錫焊片本身較薄，脆性大，其裁切方式主要包括手工裁切（手術(shù)刀片）、激光裁切、預(yù)成型。三種方式特點(diǎn)見表4.

使用不同方式裁切的焊片進(jìn)行共晶焊接試驗(yàn)，焊接結(jié)果如圖4所示：各樣件焊料溢出均符合GJB548B-2005規(guī)范要求，X-ray檢測(cè)結(jié)果都滿足要求，但有所差異。各樣件的剪切力如圖5所示：剪切力最小為111.9N，激光裁切并刮除邊緣的方式與手工裁切的剪切力基本相當(dāng)。失效形式都是芯片本體底座脫離，在載體上有一定殘留，面積在10-50%之間。

進(jìn)一步對(duì)比X-ray檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：使用激光裁切焊片焊接后，在焊片輪廓周圍出現(xiàn)不連續(xù)的空洞，通過載體上的焊片熔融試驗(yàn)，該空洞是激光裁切焊片時(shí)在焊片邊緣產(chǎn)生的氧化物，在焊接時(shí)局部潤(rùn)濕不良造成的，會(huì)影響剪切力。而手工裁剪的焊片明顯不存在此類問題，孔洞分布較為細(xì)小均勻，剪切力相對(duì)高。

結(jié)合上述試驗(yàn)結(jié)果能夠推測(cè)設(shè)備使用預(yù)成型焊片進(jìn)行焊接，焊接外觀、空洞率及剪切力都會(huì)滿足要求，與手工裁剪的焊片焊接效果相當(dāng)或更優(yōu)。

鑒于全自動(dòng)共晶焊接時(shí)設(shè)備對(duì)焊片一致性要求較高，同時(shí)對(duì)焊片準(zhǔn)備效率要求也高。推薦焊片裁切方式為：

1）針對(duì)大批量的芯片焊接，建議購(gòu)買預(yù)成型焊片；

2）針對(duì)小批量、芯片焊接空洞率要求不高的芯片焊接，建議激光裁切焊片（刮除邊緣后使用）；

3）小批量、芯片焊接空洞率要求高的芯片焊接，建議手工裁切；

4.3焊片尺寸及摩擦幅度

在保證載體潤(rùn)濕良好、氮?dú)鈿夥占昂附訙囟惹€優(yōu)化的情況下，結(jié)合4.2的焊接試驗(yàn)結(jié)果，焊片尺寸與摩擦幅度對(duì)焊接效果影響較大。

根據(jù)李孝軒的研究，焊接后吸嘴撤走，芯片有“浮起”的現(xiàn)象，被擠出的液體焊料由于毛細(xì)作用，重新被吸到芯片和載體縫隙間，液體焊料的浮力使得芯片浮起，導(dǎo)致焊料合金層中的氣體增多及參與氣體聚集，導(dǎo)致大氣孔產(chǎn)生。因此，焊片尺寸需要與芯片匹配。否則，若焊片尺寸過大，會(huì)因焊料較多造成大空洞率，焊料溢出較多，影響其他器件貼裝和組裝的位置精度。若焊片尺寸過小，焊料的溢出量可能達(dá)不到檢驗(yàn)要求，甚至?xí)?dǎo)致空洞率過大。

摩擦幅度指的是焊接時(shí)吸嘴夾持芯片在摩擦方向上的移動(dòng)幅度。摩擦幅度較小時(shí)，焊接時(shí)無法去除焊料表面氧化膜，摩擦不充分導(dǎo)致焊接溢出不充分，達(dá)不到外觀及空洞率檢驗(yàn)要求；摩擦幅度過大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致焊料溢出較大，影響附近器件的組裝，或者造成已焊接芯片被“頂”開原位置而影響組裝布局。

選擇不同尺寸的焊片及摩擦幅度進(jìn)行組合試驗(yàn)，結(jié)果見表5與圖6.

結(jié)合表6的試驗(yàn)結(jié)果，焊接時(shí)焊片尺寸范圍為65-80%，摩擦幅度范圍為50-114um，其焊接效果都可以滿足檢驗(yàn)要求。實(shí)際生產(chǎn)過程中可根據(jù)載體的潤(rùn)濕情況及焊接效果進(jìn)行參數(shù)選擇。

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