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自動芯片共晶工藝的研究主要針對真空共晶工藝和自動共晶貼片工藝。合金焊料焊接具有電阻小、熱導率高、焊接后機械強度高、工藝一致性好等優點，故針對有散熱和高性能要求的大功率芯片，以及大功率芯片鏈路的功率開關芯片、放大器芯片等采用合金焊料焊接的方式進行裝配。根據不同芯片的特點和要求，分別采用真空共晶焊和自動共晶貼片。大功率芯片面積大、對焊接空洞率要求高且易使用工裝，故選擇真空共晶焊；功率開關芯片、一般放大器芯片等面積小，焊接組合靈活度高且不易使用工裝，選擇自動共晶貼片。

共晶焊的機理

共晶焊工藝是一種采用低溫共熔合金釬焊的工藝，即兩種不同的合金在遠低于各自熔點溫度下按一定比例形成的低熔點合金，這個較低的溫度即為低共熔點。

一、釬焊原理

在芯片和載體之間放置一定厚度的合金焊料片，在一定的真空或保護氣氛下加熱到合金共熔點使其熔化，在潤濕的母材表面，焊料和母材金屬的原子間距接近到原子間隙，這時原子的聚集力起作用，使焊料和母材金屬結合為一體，另外液體分子整齊的排列成點陣狀，依靠相互間的分子引力來保持平衡。處于表面的分子剩余部分引力無法釋放，這部分引力吸引其他分子移動過來。焊接時，熔化焊料的原子接近母材便會進入晶格中，靠相互間的吸引力形成結合狀態，其他原子移動到條件滿足的空穴上，在穩定的位置停留，熔化成液態的合金浸潤整個芯片襯底的焊接層金屬和載體的焊接層金屬，通過系列物理化學反應，生成一定量的金屬間化合物，然后在冷卻到共熔點以下的過程中，焊料及金屬間化合物將芯片與載體焊接在一起完成了良好的歐姆接觸，從而完成芯片與電路載體的焊接。

二、合金焊料片的選擇

由于金錫合金焊料具有較好的熱導率、強度高，潤濕性好，抗氧化性能好，耐腐蝕性強，抗熱疲勞和蠕變性能優良，且金錫釬焊相對溫度低，因而功率芯片普遍采用金錫合金釬焊。該焊料主要為預成型焊料片，可精確控制焊料的量，同時無需清洗。金錫合金的常規參數如表3-1所示。

焊料片的尺寸一般為芯片尺寸的80-100%，厚度約為0.25-0.3之間。

三、載體的選擇

共晶焊接常用的載體材料有無氧銅、鎢銅、銅-鉬銅-銅、可伐等。根據各材料的熱性能和機械性能的不同分別應用在不同的情況下。無氧銅中氧的含量不大于0.003%，無氫脆現象，導電率高，加工性能、焊接性能、耐蝕性能均好。鎢銅綜合了鎢和銅和優點，鎢的熔點高、密度大，銅導熱性能優越，鎢銅合金微觀組織均勻、耐高溫、強度高，導電導熱性能適中。銅-鉬銅-銅是一種三明治的結構，其熱膨脹系數可調，熱導率高，耐高溫性能優異。可伐在20-450度范圍內具有與硬玻璃相近的熱膨脹系數，具有良好的低溫組織穩定性，合金的氧化膜致密，容易焊接。各材料參數對比如表3-2所示。

通過對以上數據的分析比較，綜合考慮熱膨脹系數（CTE）和熱導率，結合加工成本和實際使用情況。載體的尺寸在微波傳輸方向與芯片尺寸一致，在加電方向一般建議尺寸為芯片尺寸+電容尺寸+芯片與電容間的間隙（50um），載體的加工公差為+/-20um，載體平整度不超過20um，載體表面粗糙度不超過0.8um，采用鎳層打底表面鍍金，鍍鎳層厚度在1.3-8.9um，鍍金層厚度在2.0um-5.7um范圍內。

四、真空共晶工藝

大功率芯片的熱功耗較大，要求芯片焊接后有較好的散熱性能，故必須提高焊接的釬透率，減少空洞。

1、芯片真空焊接即為使用真空爐，通過可控的氣氛、壓力和溫度的優化匹配來實現芯片的高可靠焊接。整個焊接過程有預熱、排氣、抽真空、加溫、保溫、降溫等環節。通常真空共晶爐主要構成包括：真空系統、還原氣氛系統、加熱/冷卻系統、氣體流量控制系統、安全系統和控制系統等。因為真空系統的存在，可以使用真空在焊料片液相線以上幫助空洞排出；因為真空系統的存在，可將空氣氣氛變成氮氣氣氛來減少氧化，同時也可增加還原性氣體，來改善焊片的潤濕性減少空洞。

2、工裝的設計

真空焊接的工裝夾具非常重要，工裝的作用主要是限位和提供壓力。精密的焊接夾具，有助于提高焊接的位置精度，提高焊接的一致性，保證焊接的質量。常用的真空焊接工裝材料是石墨或不銹鋼，工裝的設計加工要保證高精度，精度控制在20um以內。微波功率芯片表面有空氣橋，故壓塊不能直接壓在芯片表面。可考慮采用線接觸的方式，壓塊與芯片的劃片道接觸，配有限位壓塊便于操作，同時設計陣列式托盤，按照載體尺寸在托盤上開窗用來載體和焊料片的限位。

3.焊接曲線的設置

真空焊接曲線的設置是取得高質量焊接效果非常關鍵的步驟。所涉及的參數主要包括：溫度、溫度時間、抽真空，抽真空時間，充氣氣氛，充氣速率等。溫度是非常關鍵的工藝參數，包括溫度的設置、溫度的均勻性和升降溫速率。溫度不均勻的情況可適當的降低升溫速率，延長加熱時間。真空焊接過程主要包括反復抽真空--充氮氣、預熱、保溫、升溫、焊接、降溫。在開始預熱階段，通過反復“抽真空---充氮氣”   ，將爐腔內的空氣置換出去，并將氣氛進行純化，減少雜質對焊接效果的影響；在預熱保溫階段充N2/HCOOH混合氣體，以此來改善焊料的潤濕性，減少焊接空洞率。燒結溫度、燒結時間、燒結過程中抽真空時間的選取是整個焊接過程中的關鍵點。根據熱量傳遞條件、芯片尺寸等進行熱熔匹配，一般情況焊接溫度要高于焊料合金共晶溫度的30-50度，如果焊接溫度過高會導致芯片性能惡化，如果焊接溫度太低則影響焊料的潤濕效果。在焊料熔化后進行抽真空減少殘留在芯片底部的氣體體積，減小空洞率，焊接完成后，則通過充氮氣和冷凝水循環系統共同來實現降溫，提高降溫速率有助于實現高可靠的焊接。

4、焊接效果分析

1）60倍光學顯微鏡下目視

焊料潤濕鋪展狀態良好，芯片、電容四周100%可見焊錫，焊錫表面光澤無氧化，芯片完好無壓痕缺損，焊接狀態非常好。

2）焊接X-ray檢測分析

空洞率小于3%。

3）焊接后剪切力測試分析

剪切力的失效模式均為芯片邊緣碎裂，殘留面積均為100%，該芯片的剪切力值滿足最小25N（1倍），最大50N（2倍）即可。

五、自動共晶貼片工藝

自動共晶貼片主要針對功率開關芯片、一般放大器芯片等面積相對較小、焊接組合靈活度高且不易使用工裝的芯片進行開展。自動共晶貼片采用吸嘴拾放，脈沖加熱裝置加熱完成焊接，其較為靈活不需要設計專門的工裝夾具，可以實現芯片和電容的多樣組合。通過自動共晶貼片提高了生產效率，避免了由于手工操作等帶來的芯片損傷的問題。通過對自動貼片機特點和原理的分析、對吸嘴和料盒的選型、程序的編制及參數優化等展開研究，以此實現芯片等的高可靠性焊接。

1、自動貼片機的原理和特點

自動貼片機主要包括控制系統、視覺系統、軟件系統和機械系統四個部分，通過編程---圖像識別---拾片---貼片---焊接等流程將芯片、電容等器件共晶焊接到相應載體。其主要特點是：通過真空吸附芯片避免了拾片時對芯片造成損傷；視覺系統自動定位提高了貼片精度；脈沖式加熱實現芯片焊接；氮氣保護避免焊料氧化。

2、吸嘴、料盒的設計選型

1）貼片吸嘴的選取主要有以下幾個原則：不能劃傷蹭碰元器件表面；由于設備吸嘴數量限制，盡可能選用通用吸嘴；根據工藝特點（是否刮擦、是否會污染等）選取吸嘴。

可選擇a)表面吸附型。適用于載體、焊料片等拾放片，如圖3-8a所示；b)四周卡邊型。適用于不可直接接觸芯片表面且需要進行刮擦動作的芯片拾放片焊接，如圖3-8b所示；c)兩邊卡邊型。適用于不可直接接觸表面需要進行刮擦動作，且一邊小間距貼片的芯片的拾放片焊接，如圖3-8c所示。考慮到共晶貼片需要高溫加熱的因素，吸嘴材料均選擇鎢鋼；

2）載料盒是呈陣列型的方格華夫盒，一般情況下粘膜料盒在吸片極易將物料帶翻。方格華夫盒呈陣列，且方格 大小和芯片尺寸非常匹配，會大大提高設備的識別效率、拾片和放片的準確性，提高了生產效率。

3、程序編制

自動共晶貼片流程主要包括以下流程，如圖3-10所示。

以上流程中，主要涉及的編程板塊有：圖像識別、“mark”點選取、放片位置選取、拾放片參數設置、焊接溫度曲線設置、刮擦參數設置。

1）圖像識別。圖像識別過程是通過一定的圖像匹配算法對模板圖像與目標圖像進行匹配的過程。當模板圖像與目標圖像的相關度大于所設定的界限值時，則定義為搜索到目標圖像，相反則無法搜索或識別目標。在編程的過程 要逐一定義爐腔焊接位置，芯片、焊料片、載體的特征圖形以便識別。

2）“mark”點選取。在自動共晶貼片中，一般采取采取“Image Area”識別，也就是垂直邊緣的區域，這種方法應用最為普遍，該方法講究邊界區域“黑白分明”，便于識別。

3）放片位置選取。載體放置位置以爐腔為基準，選取放片位置的中心一般為熱臺真空吸附孔的中心。焊料片放置位置以載體位置為基準，根據裝配圖紙設置的距離進行設定，一般通過兩點選擇虛擬原點，然后再定義出貼片位置的 中心坐標。芯片放片位置以焊料片為基準，一般芯片放片位置中心和焊料片中心完全重合。

4）拾放片參數的設置。拾放片的原理是相同的，其設置的參數主要有：吸嘴向下運動的力F、速度S，接觸時間t，接觸壓力F，接觸后超行程距離D、接觸后容差值T、吸嘴向上運動的力F、速度S、加速度a。

焊接溫度曲線設置。焊接是在相對封閉的氮氣保護爐腔里完成，防止焊料氧化。脈沖加熱器是一個能消除共晶時產生氣泡的配置，恒溫加熱器保持恒定的預熱溫度，兩種加熱方式的選擇取決于焊接過程中的需要。為了實現快速有效的焊接，熱臺溫度一開始預熱到260度并且持續保持，焊接過程中使用脈沖加熱器到焊接溫度，焊接曲線如圖3-11所示。

刮擦參數的設置。使用吸嘴吸附芯片進行刮擦的目的：一是用來提供額外的回流熱量；二是使芯片和載體之間的焊料充分潤濕形成有效焊接；三是將熔融焊料中的氣泡驅趕出去減小 焊接空洞率。一般情況下會采取“X-Y”方向、“X”方向、“Y”方向三種模式，操作示意圖如圖3-12所示，紅色箭頭表示加熱，黑色箭頭表示施加壓力，藍色箭頭表示刮擦方向。

4、焊接效果分析

1）60倍光學顯微鏡下目視

焊料潤濕鋪展狀態良好，芯片、電容四周100%可見焊錫，焊錫表面光澤無氧化，芯片完好無壓痕缺損，焊接狀態非常好。

2）焊接X-Ray檢測分析

焊接空洞率均小于3%。

3）焊接后剪切力測試分析芯片的剪切力值滿足最小11N，最大22N（根據芯片的面積計算）。

附錄：

試驗方法2019 芯片剪切強度

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