微波芯片金锡全自动共晶焊接工艺

转自 众望微组装 

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本篇主要介绍微波芯片全自动金锡共晶焊接工艺。

采用全自动设备对微波砷化镓芯片与可伐载体进行金锡共晶焊接，并利用显微镜、X-ray测试、推拉力测试等方法对样件外观、空洞率和焊接强度进行检测 。

多芯片组件是当前微波毫米波电子系统领域的代表产品，可满足军用、宇航电子装备和巨型计算机微小型化、高可靠、高性能等方面的需求。目前器件微组装主要有环氧导电胶粘接和共晶焊接两种方式。

与传统的环氧导电胶粘接相比（如表1），共晶焊接具有热导率高、电阻率低、微波损耗小、散热均匀、可靠性强和剪切强度高等优点，在高频器件、大功率器件、对散热要求高器件的组装方面具有很大优势。

微波芯片采用金锡共晶焊接时，有手动和自动两种方式。手动摩擦焊接时用镊子夹持住芯片，使其与涂覆有焊料的载体作相对运动，去除接触面的氧化物，通过摩擦迅速形成互联界面。该方法虽然装置简单、操作方式、灵活性大、适应不同尺寸芯片，但缺点是焊接精度和一致性差，芯片表面易被镊子划伤或产生崩边，且对焊接人员技能要求高。

自动共晶焊接可通过全自动贴装机实现，优点是可准确定位到芯片焊接位置，焊接溢出较稳定，组装一致性高，不损伤芯片，生产效率高，可进行大批量生产。但缺点是对物料一致性要求和对设备吸嘴与芯片匹配度的要求高。下面对微波砷化镓芯片与可伐载体进行自动金锡共晶焊接进行分析，对影响共晶焊接质量的几个工艺参数（焊接方式、焊片裁切方式、焊接尺寸、摩擦幅度等）进行了研究，以满足高可靠微波砷化镓芯片共晶焊工艺的工程化应用需求。

一、共晶焊接原理

共晶焊接是一种低熔点的合金焊接，是在相对较低的温度下共晶焊料发生共晶物熔合的现象，共晶合金不经过塑性阶段直接从固态变成液态。金锡共晶焊接主要过程为熔融焊料在基板表面的润湿和铺展，继而芯片和基板表面的金有少量会扩散至熔融焊料，冷却后会形成合金焊料与金层之间原子间的结合，完成芯片与基板的共晶焊接。

二、全自动共晶焊接工艺介绍

1、全自动贴装原理

与手动摩擦焊接不同的是，全自动共晶焊接时设备只需要执行编辑好的程序和参数设置即可。其工作原理是：利用物料编程概念，按图像识别原理，使用坐标系统定位到目标物料，设置动作参数，完成全自动共晶焊接过程。

2、焊接过程

全自动共晶焊接整个过程包括：焊接前准备工件（包括产品组装图识别、设备夹持工具调节、芯片用吸嘴选取），物料准备（热沉清洗、焊片裁切清洗、物料摆放、吸嘴校准），编辑程序（包括加热曲线设置、焊接工艺参数设置），运行程序执行焊接操作，效果检查（首件外观及空洞率，其余样件外观）。其中，吸嘴执行的动作依次为吸取并放置热沉，吸取并放置焊片，吸取芯片--摩擦焊接，焊接热沉组件吸取并放置到凝胶盒中。

3、吸嘴选用

全自动焊接过程中，需要根据不同的器件（微波集成电路微带（MIC）片、热沉、焊片、芯片、焊接组件）选择对应的吸嘴，原则是：吸嘴制造精度高，耐高温，尺寸与器件匹配，使用过程不会造成器件损伤等。

不同结构吸嘴的具体使用情况见表2.

由于微波砷化镓芯片表面存在空气桥，考虑吸嘴与芯片匹配时，选择摩擦焊接方式及两边型吸嘴可实现“一对多”，成本低，故焊接时芯片用两边型吸嘴，该吸嘴具体结构如图2所示

4、焊接效果影响因素

4.1焊接方式

目前全自动共晶焊接具有两种方式:静压与摩擦。静压方式下焊接时，设吸嘴与器件表面接触，通过施加一定的压力使载体和器件底面之间形成紧密的接触。摩擦方式下焊接时，设备吸嘴则与芯片一组对边接触，并结合真空吸附，通过控制摩擦次数、摩擦幅度、摩擦速度，使芯片与载体作相对运动，在去除接触面上的氧化物的同时，迅速形成互联界面。

采用上述两种方法对DB衰减器在可伐载体上进行焊接，结果见表3及图3.

静压时，衰减器焊接后发生倾斜的原因可能是与静压方式自身特点有关。当衰减器置于焊片上后便触发脉冲加热曲线升温，使焊料熔融，DB衰减器容易在该阶段发生倾斜，甚至由于载体润湿不佳，焊料铺展的幅度受到影响，进而导致焊料堆积，该现象不利于多芯片焊接。结合实际生产中载体上为多芯片布局的情况，焊接空间受限制，因此认为微波砷化镓芯片合适的焊接方式为摩擦焊接。

4.2焊片裁切方式

全自动设备焊接时，使用的是8020金锡焊片。焊接时考虑溢出，需要保证焊片与芯片的尺寸匹配，因此需要对大尺寸焊片进行裁切。鉴于金锡焊片本身较薄，脆性大，其裁切方式主要包括手工裁切（手术刀片）、激光裁切、预成型。三种方式特点见表4.

使用不同方式裁切的焊片进行共晶焊接试验，焊接结果如图4所示：各样件焊料溢出均符合GJB548B-2005规范要求，X-ray检测结果都满足要求，但有所差异。各样件的剪切力如图5所示：剪切力最小为111.9N，激光裁切并刮除边缘的方式与手工裁切的剪切力基本相当。失效形式都是芯片本体底座脱离，在载体上有一定残留，面积在10-50%之间。

进一步对比X-ray检测结果发现：使用激光裁切焊片焊接后，在焊片轮廓周围出现不连续的空洞，通过载体上的焊片熔融试验，该空洞是激光裁切焊片时在焊片边缘产生的氧化物，在焊接时局部润湿不良造成的，会影响剪切力。而手工裁剪的焊片明显不存在此类问题，孔洞分布较为细小均匀，剪切力相对高。

结合上述试验结果能够推测设备使用预成型焊片进行焊接，焊接外观、空洞率及剪切力都会满足要求，与手工裁剪的焊片焊接效果相当或更优。

鉴于全自动共晶焊接时设备对焊片一致性要求较高，同时对焊片准备效率要求也高。推荐焊片裁切方式为：

1）针对大批量的芯片焊接，建议购买预成型焊片；

2）针对小批量、芯片焊接空洞率要求不高的芯片焊接，建议激光裁切焊片（刮除边缘后使用）；

3）小批量、芯片焊接空洞率要求高的芯片焊接，建议手工裁切；

4.3焊片尺寸及摩擦幅度

在保证载体润湿良好、氮气气氛及焊接温度曲线优化的情况下，结合4.2的焊接试验结果，焊片尺寸与摩擦幅度对焊接效果影响较大。

根据李孝轩的研究，焊接后吸嘴撤走，芯片有“浮起”的现象，被挤出的液体焊料由于毛细作用，重新被吸到芯片和载体缝隙间，液体焊料的浮力使得芯片浮起，导致焊料合金层中的气体增多及参与气体聚集，导致大气孔产生。因此，焊片尺寸需要与芯片匹配。否则，若焊片尺寸过大，会因焊料较多造成大空洞率，焊料溢出较多，影响其他器件贴装和组装的位置精度。若焊片尺寸过小，焊料的溢出量可能达不到检验要求，甚至会导致空洞率过大。

摩擦幅度指的是焊接时吸嘴夹持芯片在摩擦方向上的移动幅度。摩擦幅度较小时，焊接时无法去除焊料表面氧化膜，摩擦不充分导致焊接溢出不充分，达不到外观及空洞率检验要求；摩擦幅度过大时，会导致焊料溢出较大，影响附近器件的组装，或者造成已焊接芯片被“顶”开原位置而影响组装布局。

选择不同尺寸的焊片及摩擦幅度进行组合试验，结果见表5与图6.

结合表6的试验结果，焊接时焊片尺寸范围为65-80%，摩擦幅度范围为50-114um，其焊接效果都可以满足检验要求。实际生产过程中可根据载体的润湿情况及焊接效果进行参数选择。

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