大功率微波芯片自动共晶焊接技术（摘录）

大功率微波芯片自动共晶焊接技术（摘录）

转自：微组装领域知识研讨分享；来源：众望微组装；作者：南京胡永芳研究员、韩宗杰研究员

  大功率GaAs 微波器件因其优越的性能而在相控阵雷达、微波通信系统等领域得到广泛应用。大功率GaAs 微波芯片体积小，重量轻，具有优良的高频特性及高可靠性，已成为有源固态相控阵雷达T/R 组件的关键器件。

  微波电路通常频率较高，因此芯片的接地状况影响着电路串扰和插入损耗，同时也带来了附加电容与振荡。微波组件发射部分的大功率微波芯片的GaAs基体材料导热性能差，因此大功率微波芯片与基体（基板）的连接必须要有良好的微波接地能力（低欧姆接触）和良好的散热能力，选用合金焊料进行共晶焊接是国内外一致采用的芯片贴装方式。

  在大功率微波芯片共晶焊接效果评价中，焊透率（被钎接面积/需焊接面积）直接反映了接地效果和散热能力，是整个焊接技术的重要指标。

  本研究采用自动化手段实现大功率微波芯片高可靠共晶焊接，对影响大功率微波芯片焊接焊透率的温度曲线、焊片尺寸、氮气保护气氛、摩擦次数等影响因素分别进行了研究，以期获得大功率微波芯片共晶焊接良好的焊透率。

  试验原理：采用Au80Sn20焊料，共晶熔点280度。钎焊温度为300-310度，比共晶熔点高出20-30度。（下次看哪位材料高手，普及一下如何看合金相图）

试验材料：试验材料包括：

1）GaAs微波芯片，厚0.08 mm； 

2）模拟匹配陶瓷片为 Al2O3，厚 0.5 mm，待焊接面镀金；

3）热沉为 Mo70Cu30 合金，厚 0.4 mm。

试验方法：依据金锡共晶焊接的原理，同时考虑到大功率微波芯片的散热要求和热膨胀系数匹配以及微波电路系统组装焊接的兼容性（分级焊接），研究预置共晶焊料、焊接温度曲线、氮气保护气氛以及摩擦次数等因素对微波芯片共晶焊接的影响，以期获得90%以上的芯片焊透率，满足产品研制生产的需求。最后，选取共晶焊接焊透率好的大功率微波芯片进行热循环试验，对不同循环次数下的芯片进行剪切力测试，分析不同循环次数下的芯片剪切力的变化规律。

试验结果与分析

1.  预置金锡合金焊料层

       共晶焊接过程中，金锡焊料的用量对大功率微波芯片的焊透率和焊料流淌有直接的影响。采用常规的熔铸-轧制方法制备的金锡预成型焊片厚度通常大于15um，在大功率微波芯片散热通路中热阻较大，易发生热量积累而导致芯片过热乃至失效。采用分层电镀技术在MoCu热沉上制作了5um厚的金锡共晶焊料层，优化确定MoCu热沉上的Ni-Au-Sn膜层结构，考察了金层、锡层的膜厚对金锡合金的影响。试验表明：金层和锡层的厚度直接决定了金锡合金的含量，金层、锡层在合适的厚度下能得到共晶点的金锡合金；金含量偏高时，合金熔化温度明显变高，制备的合金不具有实用价值；锡含量偏高时，合金熔化温度变化较小。通过试验研究了热处理工艺对预置AuSn焊料合金的影响，结果表明热处理温度在350度时可达到较好的合金化效果。对金锡共晶薄膜的性能做了评估测试。表明，在MoCu热沉上制备的金锡共晶薄膜的成分可控制在Au=80+/-1%,Sn=20+/-1%,薄膜可焊性良好，满足产品AuSn共晶焊接的需求。

2. 焊接温度曲线设计

      Au80Sn20焊料的熔点为280度，焊接时温度范围一般为300-310度，以保证焊料具有较好的可焊性。大功率微波芯片对温度敏感，一般焊接温度不超过310度，焊接时间不能超过30S，否则会导致芯片性能下降，因此，焊接的温度曲线设计非常重要。自动共晶焊接设备配置了可编程脉冲加热台，可以对温度曲线进行精确控制，从而大大提高焊接的可靠性。可编辑脉冲加热台主要通过升温速率、最高温度和持续时间来编制温度程序，试验选取了多种参数进行组合，得到不同的温度曲线，通过焊接过程中的焊料溢出、焊透率、芯片破裂等结果对焊接曲线进行评价，最终确定最适合大功率微波芯片焊接的温度曲线参数：升温速度10度/S,最高温度310度，持续时间7S。

3. 氮气气氛保护的影响

      在大功率微波芯片的焊接过程中进行局部氮气气氛保护，一个半密封氮气保护罩扣在脉冲加热台上方，充入氮气将空气排除以降低环境氧气含量。设备的氮气流量在0-20L/min范围内可控。氮气流量为0时，焊接过程没有保护，金锡焊料容易形成氧化物残渣，影响焊接质量甚至有可能影响产品可靠性，当氮气流量提升到5L/min以上时，半密封罩内能够排除氧气，保证共晶焊接在无氧气氛下完成，此时得到的金锡焊点明亮而有光泽、无氧化。氮气流量继续提升，到10L/min以上时，氮气流速过大导致从加热台带走的热量过多，焊接温度开始出现不稳定现象。综上所述，设置氮气流量5L/min即可保证排除氧气以提高焊接质量，同时可最大程度地节约成本，降低焊接热量损耗。

4. 摩擦次数的影响

      在大功率微波芯片自动共晶焊接时会有一个摩擦过程，

摩擦过程有利于金锡焊料表面的氧化物破除，有利于焊料在芯片和热沉之间铺展，同时排除共晶焊接面的气体，从而提高焊透率。大功率微波芯片焊接过程中，在X和Y方向均可施加摩擦过程。本试验中设定X和Y方向摩擦交替进行，两方向合计摩擦次数与焊透率的关系曲线

试验结果表明：当摩擦次数达到30次时，焊透率可以保证在90%以上，满足功放芯片的散热要求；摩擦次数继续增加，焊透率提升比例有限。

使用上述试验确定的优化参数在热沉上完成大功率微波芯片、两个陶瓷片和两个连排电容的焊接，各个器件之间的距离精度，能够控制在25+/-5um的范围内，焊透率能够达到90%以上，完全能够满足产品高精度高焊透率的组装要求。

结束语

  本文研究了大功率微波芯片共晶焊接技术，分别对影响微波芯片焊接焊透率的预置焊料、温度曲线、氮气保护气氛、摩擦次数等影响因素进行研究，得到以下结论：

1）采用分层电镀技术在 MoCu 热沉上制作了 5 µm 厚的金锡共晶焊料层，可焊性良好，满足共晶焊接的需求。

2）适合大功率微波芯片焊接的温度曲线的参数为升温速率10 度/s，最高温度310 度，持续时间 7 s

3）设置氮气流量 5 L/min，能够保证共晶焊接在无氧气氛下完成，此时得到的金锡焊点具有明亮的金属光泽。

4）摩擦次数达到 30 次时，焊透率能够达到 90% 以上，焊接位置精度能够控制在(25 ± 5) µm 范围内，满足产品高精度高焊透率的组装要求。

5）焊后大功率微波芯片模块的热循环试验结果表明，采用优化的工艺参数获得的大功率微波芯片共晶焊接模块具有较好的可靠性。

致谢：南京胡永芳研究员、韩宗杰研究员的论文分享。

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