厚膜电路无助焊剂共晶焊工艺

转自 众望微组装 微组装领域知识研讨分享

这篇文章主要摘取在厚膜电路当中共晶焊工艺的描述，涉及芯片背面金属化层、基板焊区金属化层、焊接压力、焊接气氛、焊接温度及焊接时间。

无助焊剂的共晶焊方法主要分为两大类：

1、加压法共晶，一般采用石墨夹具定位厚膜基板和元件，金属压块实现焊接压力 ，有效控制真空/气氛炉内气氛，通过预热、排气、真空、加温、降温和进气等过程，实现共晶全过程；

2、摩擦法共晶，采用镊子或吸嘴夹持元件，在焊接温度下，使芯片在基板表面焊区（已加焊料片）做相对摩擦，实现气氛和氧化物排出，达到低空洞率焊接。

无论哪种焊接方式，下述几个方面的工艺控制都极为重要：

1）、芯片背面金属化层；

2）、基板焊区金属化层；

3）、焊接压力（ 主要针对加压法共晶）；

4）、焊接气氛、焊接温度及焊接时间；

一、芯片背面金属化层影响研究

1、芯片背金共晶试验

采用焊料共晶时，裸芯片背面需要金属化（简称背金），金属化层分为单层金和多层金，单层金一般是在芯片背面溅射一层金或银，单层金因在焊接时很容易被含金或银焊料融蚀（俗称“吃金”），而导致芯片脱落，单层金芯片一般只适合环氧树脂粘接工艺。而焊接芯片背面一般溅射多层金，常见的镀层有（从内到外）钛镍银（TiNiAg）、钛镍金（TiNiAu）等，钛起到过渡作用，镍层起焊接作用，而金或银层则起防止镍层氧化的保护作用。

作为焊接层的镍层有着至关重要的作用，其厚度直接影响着焊接空洞率，随着焊接芯片的尺寸大小，对镍层的厚度要求也不相同，一般芯片越大，镀层要求越厚，芯片越小，则镀层要求越薄。以常规尺寸2*1mm的芯片为例，在焊接工艺过程条件相同情况下，分组进行芯片镀层（TiNiAg）厚度与空洞率的对比试验研究，结果见表2。

2、芯片背金共晶试验分析

在共晶时，熔融焊料首先熔掉芯片背面薄银层或薄金层，后与焊接层镍层焊接到一起。通过上述对比可知，当镍层厚度较小时，熔融焊料易从芯片边缘开始“吃”掉芯片镍层，形成从外到内的焊接空洞，之所以从外到内部，是由于共晶时芯片四周界的焊料量要远多于芯片底部，熔融能力要比芯片底部中心更强。

二、基板焊区金属化层影响研究

1、基板焊区金属化层共晶试验

相对于裸芯片溅射方式背金不同，厚膜混合电路一般采用丝网印刷的方式在陶瓷、氮化铝等基板表面沉积一层金属化层焊区，常见的焊区金属层有金、银和铂银等，一般单纯的金属层不适合焊接，因焊接过程中很容易被焊料熔融掉，因而基板焊区常选择掺杂阻焊金属，如铂银，但这类金属层的焊区厚度也至关重要。以不同厚度的铂银焊区为例，在共晶工艺过程条件相同情况下，进行金属层厚度与空洞率对比试验研究，结果见表3，X射线照相图片如图3所示。

2、焊接压力共晶试验分析

在压力不足时，共晶时熔融焊料随机停留在某个区域，随着压力逐渐增加，焊料受压后基本均匀分布到芯片底部，并通过挤压逐渐排除随机分布的空洞。

四、焊接气氛、焊接温度及焊接时间研究

对于无助焊剂共晶焊，气氛保护尤为重要。在共晶时，如果惰性气氛不纯，混入氧气，当焊料熔融后，很快在其表面形成氧化膜，使焊料由于表面张力而缩成球状，严重影响焊料与焊接体的浸润效果，并大量增加焊接空洞率，甚至无法焊接。

对于焊接温度及焊接时间，焊接温度过高，焊接时间过长均可加速上述焊接空洞出现。一般而言，共晶炉设定的焊接温度比焊料合金的共融温度要高30-50度，但在满足焊接可靠性的情况下，焊接温度越低越好，焊接时间越短越好。对于摩擦法多芯片共晶，应依次完成所有芯片共晶，焊接总时间应控制好，避免当最后一个芯片完成后，第1个芯片因焊料长时间熔融芯片镀层或基片金属层而脱落，时间控制是多芯片共晶的难点，根据测试，采用Au80Sn20焊料共晶，总峰值焊接时间应严格控制在3min以内。

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