2016-08-09 摘自誠(chéng)聯(lián)愷達(dá) 北京誠(chéng)聯(lián)愷達(dá)科技有限公司

      共晶焊技術(shù)在電子封裝行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，如芯片與基板的粘接、基板與管殼的粘接、管殼封帽等等。與傳統(tǒng)的環(huán)氧導(dǎo)電膠粘接相比，共晶焊接具有熱導(dǎo)率高、電阻小、傳熱快、

可靠性強(qiáng)、粘接后剪切力大的優(yōu)點(diǎn)，適用于高頻、大功率器件中芯片與基板、基板與管殼的互聯(lián)。對(duì)于有較高散熱要求的功率器件必須采用共晶焊接。共晶焊是利用了共晶合金的特性來(lái)完成焊接工藝的。 

共晶合金有以下特性： 

(1)比純組元熔點(diǎn)低，簡(jiǎn)化了熔化工藝； 

(2)共晶合金比純金屬有更好的流動(dòng)性，在凝固中可防止阻礙液體流動(dòng)的枝晶形成，從而改

善了鑄造性能； 

(3)恒溫轉(zhuǎn)變(無(wú)凝固溫度范圍)減少了鑄造缺陷，如偏聚和縮孔； 

(4)共晶凝固可獲得多種形態(tài)的顯微組織，尤其是規(guī)則排列的層狀或桿狀共晶組織，可成為優(yōu)異性能的原位復(fù)合材料(in-situ composite)。 共晶是指在相對(duì)較低的溫度下共晶焊料發(fā)生共晶物熔合的現(xiàn)象，共晶合金直接從固態(tài)變到液態(tài)，而不經(jīng)過(guò)塑性階段。其熔化溫度稱共晶溫度。 

      真空可控氣氛共晶爐"是國(guó)際上近幾年推出的新設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)器件的各種共晶工藝；共晶時(shí)無(wú)需使用助焊劑，并具有抽真空或充惰性氣體的功能，在真空下共晶可以有效減少共晶空；如輔以專用的夾具，則能實(shí)現(xiàn)多芯片一次共晶，我公司根據(jù)新的工藝要求，研制出幾款真空可控氣氛共晶爐，如圖1所示。KD-V43是西門(mén)子+PLC控制，在液晶顯示屏上設(shè)定工藝曲線及氣體流量等工藝參數(shù)，由控制軟件自動(dòng)完成工藝過(guò)程。  而且還帶視覺(jué)監(jiān)控分析系統(tǒng)：焊接過(guò)程對(duì)焊接缺陷分析，可通過(guò)對(duì)整個(gè)焊接過(guò)程的視頻錄像（將器件和錫膏的焊接變化視頻與溫度曲線和當(dāng)前焊接時(shí)間、當(dāng)前溫度、當(dāng)前焊接環(huán)境結(jié)合在一個(gè)畫(huà)面上），根據(jù)分析焊接過(guò)程，收集焊接缺陷；通過(guò)軟件自動(dòng)對(duì)焊接實(shí)際曲線和焊接環(huán)境的分析，再加入焊接缺陷結(jié)果及焊接的前期流程的選項(xiàng)，軟件自動(dòng)給出建議性處理方案，便于貴方公司工藝人員及時(shí)可靠的進(jìn)行工藝整改，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量與生產(chǎn)效率。

使用真空可控氣氛共晶爐進(jìn)行芯片共晶焊需要注意以下幾個(gè)方面的問(wèn)題： 

      焊料的選用 焊料是共晶焊接非常關(guān)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(yīng)用場(chǎng)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。 

      根據(jù)被焊件的熱容量大小，一般共晶爐設(shè)定的焊接溫度要高于焊料合金的共晶溫度30～50℃。芯片能耐受的溫度與焊料的共晶溫度也是進(jìn)行共晶時(shí)應(yīng)當(dāng)關(guān)注的問(wèn)題。如果焊料的共晶溫度過(guò)高，就會(huì)影響芯片材料的物理化學(xué)性質(zhì)，使芯片失效。因此焊料的選用要考慮鍍層的成份與被焊件的耐受溫度。此外，如焊料存放時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)使其表面的氧化層過(guò)厚，因焊接過(guò)程中沒(méi)有人工干預(yù)，氧化層是很難去除的，焊料熔化后留下的氧化膜會(huì)在焊后形成空洞。在焊接過(guò)程中向爐腔內(nèi)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。 

溫度控制工藝曲線參數(shù)的確立 

      共晶焊接方法豐要用于高頻、大功率電路或者必須達(dá)到宇航級(jí)要求的電路。焊接時(shí)的熱損耗，熱應(yīng)力，濕度，顆粒以及沖擊或振動(dòng)是影響焊接效果關(guān)鍵因素。熱損傷會(huì)影響薄膜器件的性能；濕度過(guò)高可能引起粘連，磨損，附著現(xiàn)象；無(wú)效的熱部件會(huì)影響熱的傳導(dǎo)。共晶時(shí)最常見(jiàn)的問(wèn)題是基座(Heater Block)的溫度低于共晶溫度．在這種情況下，焊料仍能熔化，但沒(méi)有足夠的溫度來(lái)擴(kuò)散芯片背面的鍍金層，而操作者容易誤認(rèn)為焊料熔化就是共晶了。另一方面，用過(guò)長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)加熱基座會(huì)導(dǎo)致電路金屬的損壞，可見(jiàn)共晶時(shí)溫度和時(shí)間的控制是十分重要的。由于以上原因，溫度曲線的設(shè)置是共晶好壞的重要因素。 

      由于共晶時(shí)需要的溫度較高，特別是用AuGe焊料共晶，對(duì)基板及薄膜電路的耐高溫特性提出了要求。要求電路能承受400℃的高溫，在該溫度下，電阻及導(dǎo)電性能不能有改變。此共晶的一個(gè)關(guān)鍵因素是溫度，它不是單純的到達(dá)某個(gè)定值溫度，而是要經(jīng)過(guò)一個(gè)溫度曲線變化的過(guò)程，在溫度變化中，還要具備處理任何隨機(jī)事件的能力，如抽真空、充氣、排氣等事件。這些都是共晶爐設(shè)備具備的功能。 多芯片共晶的溫度控制與單芯片共晶不同。多芯片共晶時(shí)會(huì)出現(xiàn)芯片材料不同，共晶焊料不同，因此共晶溫度不同的情況。這時(shí)需要采用階梯共晶的方法。一般先對(duì)溫度高的共晶焊料共晶，再共晶溫度低的。共晶爐控制系統(tǒng)可以設(shè)定多條溫度曲線，每條溫度曲線可以設(shè)定9段，通過(guò)鏈接的方式可擴(kuò)展到81段，在溫度曲線運(yùn)行過(guò)程中可增加充氣、抽真空、排氣等工藝步驟。 

降低空洞率 

      共晶后，空洞率是一項(xiàng)重要的檢測(cè)指標(biāo)，如何降低空洞率是共晶的關(guān)鍵技術(shù)?？斩赐ǔＪ怯珊噶媳砻娴难趸ぁ⒎蹓m微粒、熔化時(shí)未排出的氣泡形成。由氧化物所形成的膜會(huì)阻礙金屬化表面的結(jié)合部相互滲透，留下的縫隙，冷卻凝結(jié)后形成空洞。 共晶焊時(shí)形成的空洞會(huì)降低器件的可靠性，擴(kuò)大IC斷裂的可能，并會(huì)增加器件的工作溫度、削弱管芯的粘貼能力。共晶后焊接層留下的空洞會(huì)影響接地效果及其它電氣性能。 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(zhì)； 

(2)共晶時(shí)在器件上放置加壓裝置，直接施加正壓； 

(3)在真空環(huán)境下共晶。 

實(shí)現(xiàn)多個(gè)芯片一次共晶 

     存進(jìn)行多芯片組件共晶時(shí)，由于芯片的尺寸越來(lái)越小，數(shù)量越來(lái)越多，就必須采用特制的夾具來(lái)完成。這類(lèi)夾具不但具有固定芯片和焊料位置的功能，本身還要具有易操作、耐高溫不變形的特性。由于有些芯片的尺寸只有0.5 mm2甚至更小，不易定位，人工放置不便，所以共晶爐一般焊接1mm2以上的芯片；在共晶時(shí)由于有氣流變化，為防止芯片移動(dòng)，用夾具定位是必需的。 

      夾具除對(duì)加工精度的要求外，還須耐受高溫且不變形，物理化學(xué)性質(zhì)不會(huì)改變、或說(shuō)其變化不會(huì)給共晶帶來(lái)不利影響、甚至有助于共晶：制造夾具的材料還必須易于加工，如果加工很困難，不利于功能實(shí)現(xiàn)。另外，易于使用也是著要重考慮的方面。石墨基本附合以上要求，共晶爐的夾具一般選用的就是高純石墨，它具有以下特點(diǎn)： 

(1)高溫變形小，對(duì)器件影響較??； 

(2)導(dǎo)熱性好，有利于熱量傳播，使溫度均勻性好； 

(3)化學(xué)穩(wěn)定好，長(zhǎng)期使用不變質(zhì)； 

(4)可塑性好，容易加工。 

       在一個(gè)氧化環(huán)境中，石墨中的碳形成CO和CO2，背"擦干"氧氣的優(yōu)點(diǎn)。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(dǎo)，加熱均勻，焊接面平整。 

2.2 基板與管殼的焊接 

      與芯片和基板的焊接工藝相似，基板與管殼的焊接也是共晶焊很好的應(yīng)用領(lǐng)域。在這一工藝中要注意空洞率要符合國(guó)軍標(biāo)GJB548-96A的要求，軍用產(chǎn)品控制在25％以下。由于基板一般比芯片尺寸大，且材質(zhì)較厚、硬些，對(duì)位置精度要求低，所以用共晶爐能更好地焊接。  

 2.3 封帽工藝 

      器件封帽也是共晶爐的用途之一。通常器件的外殼是陶瓷或可伐等材料外鍍金鎳而制成的。陶瓷封裝"在實(shí)際應(yīng)用中由于它容易裝配、容易實(shí)現(xiàn)內(nèi)部連接和成本低而成為最優(yōu)封裝介質(zhì)。陶瓷能經(jīng)受住苛刻的外部環(huán)境，高溫、機(jī)械沖擊和振動(dòng)，它是一個(gè)剛硬的材料，并且有一個(gè)接近硅材料的熱膨脹系數(shù)值。這類(lèi)器件的封裝可以采用共晶焊的方法，陶瓷腔體上部有一個(gè)密封環(huán)，用來(lái)與蓋板進(jìn)行共晶焊接，以獲得一個(gè)氣密、真空封焊。金層一般需要1.5m，但是由于工藝處理及高溫烘烤，腔體和密封環(huán)都需電鍍2.5μm的金，過(guò)多的金用來(lái)保護(hù)鎳

的遷移。鍍金可伐蓋板可被用來(lái)作為氣密性封焊陶瓷管殼的材料，在共晶前一般要進(jìn)行真空烘烤。 共晶爐還可應(yīng)用于芯片電鍍凸點(diǎn)再流成球、共晶凸點(diǎn)焊接、光纖封裝等工藝。除混合電路、電子封裝外，LED行業(yè)也是共晶爐應(yīng)用領(lǐng)域。 

 3 共晶爐與其它共晶設(shè)備的比較 

      除共晶爐外，實(shí)現(xiàn)共晶焊接的設(shè)備還有：帶有吸嘴和鑷子的共晶機(jī)、紅外再流焊爐、箱式爐等。使用這類(lèi)設(shè)備共晶時(shí)存在以下問(wèn)題：

 (1)在大氣環(huán)境下焊接，共晶時(shí)容易產(chǎn)生空洞；

 (2)使用箱式爐和紅外再流焊爐進(jìn)行共晶需要使用助焊劑，會(huì)產(chǎn)生助焊劑流動(dòng)污染，增加清洗工藝，若清洗不徹底導(dǎo)致電路長(zhǎng)期可靠性指標(biāo)降低； 

(3)鑷子共晶機(jī)對(duì)操作者要求高，許多工藝參數(shù)不可控，不能任意設(shè)置溫度曲線，在進(jìn)行多芯片共晶時(shí)，芯片重復(fù)受熱，焊料多次融化易使焊接面氧化，芯片移位，焊區(qū)擴(kuò)散面不規(guī)則，嚴(yán)重影響芯片的壽命和性能。

關(guān)鍵詞：SiC、電力電子器件、牽引、金錫焊片、Au80Sn20焊、Au88Ge12、預(yù)置金錫蓋板、銦合金焊料片、錫銀銅SAC焊料片、無(wú)鉛焊料、Ag72Cu28、In52Sn48、銦銀合金焊片、Sn90Sb10、Sn63Pb37、錫鉛焊片、金基焊料 、銀基焊料、銦基焊料、金鍺焊料、金錫焊料封裝、金錫焊料、IGBT高潔凈焊片、預(yù)涂覆助焊劑焊片、SMT填充用焊片、預(yù)制焊錫片、Ag92.5Cu7.5焊片、Bi58Sn42焊片、Pb60In40焊片、In60Pb40焊片、Pb75In25焊片、In50Sn50焊片、低溫釬焊片、錫片、Zn95Al4Cu1焊片、In51Bi32.5Sn16.5焊片、In66.3Bi33.7焊片、Ag62Sn35Pb3焊片、Ag60Cu23Sn17焊片、Solder Preforms、Fluxless Solder、 solder ribbon、 先藝電子、xianyi、trimsj.com.cn

 廣州先藝電子科技有限公司是預(yù)成型合金焊料片專業(yè)生產(chǎn)商，我們可根據(jù)客戶的要求定制專業(yè)配比的金、銀、銅、錫、銦等焊料合金，加工成預(yù)成型焊片，更多資訊請(qǐng)看trimsj.com.cn，或關(guān)注微信公眾號(hào)“先藝電子”。