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這篇文章主要摘取在厚膜電路當中共晶焊工藝的描述，涉及芯片背面金屬化層、基板焊區金屬化層、焊接壓力、焊接氣氛、焊接溫度及焊接時間。

無助焊劑的共晶焊方法主要分為兩大類：

1、加壓法共晶，一般采用石墨夾具定位厚膜基板和元件，金屬壓塊實現焊接壓力 ，有效控制真空/氣氛爐內氣氛，通過預熱、排氣、真空、加溫、降溫和進氣等過程，實現共晶全過程；

2、摩擦法共晶，采用鑷子或吸嘴夾持元件，在焊接溫度下，使芯片在基板表面焊區（已加焊料片）做相對摩擦，實現氣氛和氧化物排出，達到低空洞率焊接。

無論哪種焊接方式，下述幾個方面的工藝控制都極為重要：

1）、芯片背面金屬化層；

2）、基板焊區金屬化層；

3）、焊接壓力（ 主要針對加壓法共晶）；

4）、焊接氣氛、焊接溫度及焊接時間；

一、芯片背面金屬化層影響研究

1、芯片背金共晶試驗

采用焊料共晶時，裸芯片背面需要金屬化（簡稱背金），金屬化層分為單層金和多層金，單層金一般是在芯片背面濺射一層金或銀，單層金因在焊接時很容易被含金或銀焊料融蝕（俗稱“吃金”），而導致芯片脫落，單層金芯片一般只適合環氧樹脂粘接工藝。而焊接芯片背面一般濺射多層金，常見的鍍層有（從內到外）鈦鎳銀（TiNiAg）、鈦鎳金（TiNiAu）等，鈦起到過渡作用，鎳層起焊接作用，而金或銀層則起防止鎳層氧化的保護作用。

作為焊接層的鎳層有著至關重要的作用，其厚度直接影響著焊接空洞率，隨著焊接芯片的尺寸大小，對鎳層的厚度要求也不相同，一般芯片越大，鍍層要求越厚，芯片越小，則鍍層要求越薄。以常規尺寸2*1mm的芯片為例，在焊接工藝過程條件相同情況下，分組進行芯片鍍層（TiNiAg）厚度與空洞率的對比試驗研究，結果見表2。

2、芯片背金共晶試驗分析

在共晶時，熔融焊料首先熔掉芯片背面薄銀層或薄金層，后與焊接層鎳層焊接到一起。通過上述對比可知，當鎳層厚度較小時，熔融焊料易從芯片邊緣開始“吃”掉芯片鎳層，形成從外到內的焊接空洞，之所以從外到內部，是由于共晶時芯片四周界的焊料量要遠多于芯片底部，熔融能力要比芯片底部中心更強。

二、基板焊區金屬化層影響研究

1、基板焊區金屬化層共晶試驗

相對于裸芯片濺射方式背金不同，厚膜混合電路一般采用絲網印刷的方式在陶瓷、氮化鋁等基板表面沉積一層金屬化層焊區，常見的焊區金屬層有金、銀和鉑銀等，一般單純的金屬層不適合焊接，因焊接過程中很容易被焊料熔融掉，因而基板焊區常選擇摻雜阻焊金屬，如鉑銀，但這類金屬層的焊區厚度也至關重要。以不同厚度的鉑銀焊區為例，在共晶工藝過程條件相同情況下，進行金屬層厚度與空洞率對比試驗研究，結果見表3，X射線照相圖片如圖3所示。

2、焊接壓力共晶試驗分析

在壓力不足時，共晶時熔融焊料隨機停留在某個區域，隨著壓力逐漸增加，焊料受壓后基本均勻分布到芯片底部，并通過擠壓逐漸排除隨機分布的空洞。

四、焊接氣氛、焊接溫度及焊接時間研究

對于無助焊劑共晶焊，氣氛保護尤為重要。在共晶時，如果惰性氣氛不純，混入氧氣，當焊料熔融后，很快在其表面形成氧化膜，使焊料由于表面張力而縮成球狀，嚴重影響焊料與焊接體的浸潤效果，并大量增加焊接空洞率，甚至無法焊接。

對于焊接溫度及焊接時間，焊接溫度過高，焊接時間過長均可加速上述焊接空洞出現。一般而言，共晶爐設定的焊接溫度比焊料合金的共融溫度要高30-50度，但在滿足焊接可靠性的情況下，焊接溫度越低越好，焊接時間越短越好。對于摩擦法多芯片共晶，應依次完成所有芯片共晶，焊接總時間應控制好，避免當最后一個芯片完成后，第1個芯片因焊料長時間熔融芯片鍍層或基片金屬層而脫落，時間控制是多芯片共晶的難點，根據測試，采用Au80Sn20焊料共晶，總峰值焊接時間應嚴格控制在3min以內。

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