共晶焊

1 引言

共晶焊技术在电子封装行业得到广泛应用，如芯片与基板的粘接、基板与管壳的粘接、管壳封帽等等。与传统的环氧导电胶粘接相比(表 1)，共晶焊接具有热导率高、电阻小、传热快、可靠性强、粘接后剪切力大的优点，适用于高频、大功率器件中芯片与基板、基板与管壳的互联。对于有较高散热要求的功率器件必须采用共晶焊接。共晶焊是利用了共晶合金的特性来完成焊接工艺的。

共晶合金具有以下特性：

(1)比纯组元熔点低，简化了熔化工艺;

(2)共晶合金比纯金属有更好的流动性，在凝固中可防止阻碍液体流动的枝晶形成，从而改善了铸造性能;

(3)恒温转变(无凝固温度范围)减少了铸造缺陷，如偏聚和缩孔;

(4)共晶凝固可获得多种形态的显微组织，尤其是规则排列的层状或杆状共晶组织，可成为优异性能的原位复合材料(in-situ composite)。共晶是指在相对较低的温度下共晶焊料发生共晶物熔合的现象，共晶合金直接从固态变到液态，而不经过塑性阶段。其熔化温度称共晶温度。"真空/可控气氛共晶炉"是国际上近几年推出的新设备，可实现器件的各种共晶工艺;共晶时无需使用助焊剂，并具有抽真空或充惰性气体的功能，在真空下共晶可以有　　效减少共晶空洞;如辅以专用的夹具，则能实现多芯片一次共晶。我所根据新的工艺要求，研制出2种型号真空/可控气氛共晶炉，如图1所示。GJL-2023B是PLC(可编程控制器)控制，在温控仪表上设定温度曲线，气体流量控制手动调节。GJL-225是工控机控制，在液晶显示屏上设定工艺曲线及气体流量等工艺参数，由控制软件自动完成工艺过程。

2 真空/可控气氛共晶炉主要应用领域

2.1 IC芯片焊接

IC 芯片与基板的焊接是共晶焊的主要应用方向。通常使用金锡(Au80Sn20)、金硅(AuSi)、金锗(AuGe)等合金材料的焊片将芯片焊接到基板(载板)上，合金焊片放在IC 与基板问的焊盘上。为了抑制氧化物的形成，通常在IC 的背面镀一层金。以上 3 种焊料已经被成功地使用于器件进行高温处理，它具有好的机械性能和热传导性。微波、毫米波电路中，合金焊料通常选用AuSn(熔点280℃)、AuGe(熔点365℃)。由于2种合金的熔点相差较大，故一般采用AuGe合金将薄膜电路焊接在载板上，再采用AuSn合金焊接微波芯片、电容等元件。为了避免芯片等元件受到高温热冲击，不少公司采用AuSn合金将薄膜电路共晶到载板上，其他芯片元件采用导电胶焊接的方式。在多芯片组件中，焊接芯片和基板的材料及组装工艺与混合电路中使用的大致上差不多。和混合电路一样，在90%/6以上的多芯片模块中使用低成本、易于返修的环氧树脂。焊料或共晶焊接法主要用于大功率电路或者必须达到宇航级要求的电路。多芯片组件是当前微组装技术的代表产品，是一种可以满足军用、宇航电子装备和巨型计算机微小型化、高可靠、高性能等方面迫切需求的先进微电子组件。它将多个集成电路芯片和其它片式元器件组装在一块高密度多层互连基板上，封装在管壳内。多芯片组件以其高密度、高性能、高可靠性、轻重量、小体积等明显的优势被广泛地应用于航空航天、军用通信和常规武器等军事领域。多芯片组件在密度不断增加的趋势下还向着大功率、高频的方向发展，而多芯片共晶工艺有助于提高大功率、高频器件的制造技术，适用的夹具有助于提高生产效率，提高成品率，对促进微封装产业的发展具有重要　意义。图2是多芯片样品共晶后的照片及焊接用石墨夹具。图 3是多芯片组件制造的丰要工艺过程示意图。从此图中可以看出，芯片与基板粘接是成功完成多芯片组件(模块)的关键工艺步骤之一。目前实现这一步骤的主要工艺有环氧导电胶粘接和共晶焊料焊接2种方法。虽然导电胶和缘绝胶贴片非常方便，生产率高。但在微波频率高或功率大时，由于导电胶的电阻率大(100～500μΩ·cm)、导热系数(2～8 W/m·k)小，会造成微波损耗大，管芯热阻大，结温高，影响功率输出和可靠性。因此对于频率高、功率大的器件，只能采用共晶焊接。实现共晶焊接的设备有多种，本文介绍的有关共晶焊接的工艺是采用真空/可控气氛共晶炉设备实现的。使用真空/可控气氛共晶炉进行芯片共晶焊需要注意以下几个方面的问题：

2.1.1 焊料的选用

焊料是共晶焊接非常关键的因素。有多种合金可以作为焊料，如 AuGe、AuSn、AuSi、Snln、SnAg、SnBi等，各种焊料因其各自的特性适于不同的应用场合。如：含银的焊料SnAg，易于与镀层含银的端面接合，含金、含铟的合金焊料易于与镀层含金的端面接合。根据被焊件的热容量大小，一般共晶炉设定的焊接温度要高于焊料合金的共晶温度30～50℃。芯片能耐受的温度与焊料的共晶温度也是进行共晶时应当关注的问题。如果焊料的共晶温度过高，就会影响芯片材料的物理化学性质，使芯片失效。因此焊料的选用要考虑镀层的成份与被焊件的耐受温度。此外，如焊料存放时间过长，会使其表面的　氧化层过厚，因焊接过程中没有人工干预，氧化层是很难去除的，焊料熔化后留下的氧化膜会在焊后形成空洞。在焊接过程中向炉腔内充入少量氢气，可以起到还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。

2.1.2 温度控制工艺曲线参数的确立

共晶焊接方法丰要用于高频、大功率电路或者必须达到宇航级要求的电路。焊接时的热损耗，热应力，湿度，颗粒以及冲击或振动是影响焊接效果关键因素。热损伤会影响薄膜器件的性能;湿度过高可能引起粘连，磨损，附着现象;无效的热部件会影响热的传导。共晶时最常见的问题是基座(Heater Block)的温度低于共晶温度.在这种情况下，焊料仍能熔化，但没有足够的温度来扩散芯片背面的镀金层，而操作者容易误认为焊料熔化就是共晶了。另一方面，用过长的时间来加热基座会导致电路金属的损坏，可见共晶时温度和时间的控制是十分重要的。由于以上原因，温度曲线的设置是共晶好坏的重要因素。于共晶时需要的温度较高，特别是用Au88Ge12 焊料共晶，对基板及薄膜电路的耐高温特性提出了要求。要求电路能承受 400℃的高温，在该温度下，电阻及导电性能不能有改变。因此共晶的一个关键因素是温度，它不是单纯的到达某个定值温度，而是要经过一个温度曲线变化的过程，在温度变化中，还要具备处理任何随机事件的能力，如抽真空、充气、排气等事件。这些都是共晶炉设备具备的功能。多芯片共晶的温度控制与单芯片共晶不同。多芯片共晶时会出现芯片材料不同，共晶焊料不同，因此共晶温度不同的情况。这时需要采用阶梯共晶的方法。一般先对温度高的共晶焊料共晶，再共晶温度低的。共晶炉控制系统可以设定多条温度曲线，每条温度曲线可以设定 9 段，通过链接的方式可扩展到 81 段，在温度曲线运行过程中可增加充气、抽真空、排气等工艺步骤。

2.1.3 降低空洞率

共晶后，空洞率是一项重要的检测指标，如何降低空洞率是共晶的关键技术。空洞通常是由焊料表面的氧化膜、粉尘微粒、熔化时未排出的气泡形成。由氧化物所形成的膜会阻碍金属化表面的结合部相互渗透，留下的缝隙，冷却凝结后形成空洞。共晶焊时形成的空洞会降低器件的可靠性，扩大IC 断裂的可能，并会增加器件的工作温度、削弱管芯的粘贴能力。共晶后焊接层留下的空洞会影响接地效果及其它电气性能。消除空洞的主要方法有：

(1)共晶焊前清洁器件与焊料表面，去除杂质;

(2)共晶时在器件上放置加压装置，直接施加正压;

(3)在真空环境下共晶。

2.1.4 如伺实现多个芯片一次共晶

存进行多芯片组件共晶时，由于芯片的尺寸越来越小，数量越来越多，就必须采用特制的夹具来完成。这类夹具不但具有固定芯片和焊料位置的功能，本身还要具有易操作、耐高温不变形的特性。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，所以共晶炉一般焊接1mm2以上的芯片;在共晶时由于有气流变化，为防止芯片移动，用夹具定位是必需的。

夹具除对加工精度的要求外，还须耐受高温且不变形，物理化学性质不会改变、或说其变化不会给共晶带来不利影响、甚至有助于共晶：制造夹具的材料还必须易于加工，如果加工很困难，不利于功能实现。另外，易于使用也是着要重考虑的方面。石墨基本附合以上要求，共晶炉的夹具一般选用的就是高纯石墨，它具有以下特点：

(1)高温变形小，对器件影响较小; (2)导热性好，有利于热量传播，使温度均匀性
　　好;

(3)化学稳定好，长期使用不变质;

(4)可塑性好，容易加工。

在一个氧化环境中，石墨中的碳形成CO和CO2，背"擦干"氧气的优点。石墨是各向同性材料，晶粒在所有方向上均匀、密集分布，受热均匀。焊接元件被固定在石墨上，热量直接传导，加热均匀，焊接面平整。

2.2 基板与管壳的焊接

与芯片和基板的焊接工艺相似，基板与管壳的焊接也是共晶焊很好的应用领域。在这一工艺中要注意空洞率要符合国军标 GJB548-96A 的要求，军用产品控制在 25%以下。由于基板一般比芯片尺寸大，且材质较厚、硬些，对位置精度要求低，所以用共晶炉能更好地焊接。

2.3 封帽工艺

器件封帽也是共晶炉的用途之一。通常器件的外壳是陶瓷或可伐等材料外镀金镍而制成的。"陶瓷封装"在实际应用中由于它容易装配、容易实现内部连接和成本低而成为最优封装介质。

陶瓷能经受住苛刻的外部环境，高温、机械冲击和振动，它是一个刚硬的材料，并且有一个接近硅材料的热膨胀系数值。这类器件的封装可以采用共晶焊的方法，陶瓷腔体上部有一个密封环，用来与盖板进行共晶焊接，以获得一个气密、真空封焊。金层一般需要1.5μm，但是由于工艺处理及高温烘烤，腔体和密封环都需电镀2.5μm 的金，过多的金用来保护镍的迁移。镀金可伐盖板可被用来作为气密性封焊陶瓷管壳的材料，在共晶前一般要进行真空烘烤。　共晶炉还可应用于芯片电镀凸点再流成球、共晶凸点焊接、光纤封装等工艺。除混　　合电路、电子封装外，LED行业也是共晶炉应用领域。

3 共晶炉与其它共晶设备的比较

除共晶炉外，实现共晶焊接的设备还有：带有吸嘴和镊子的共晶机、红外再流焊炉、
　　箱式炉等。使用这类设备共晶时存在以下问题：

(1)在大气环境下焊接，共晶时容易产生空洞;

(2)使用箱式炉和红外再流焊炉进行共晶需要使用助焊剂，会产生助焊剂流动污染，增加清洗工艺，若清洗不彻底导致电路长期可靠性指标降低;

(3)镊子共晶机对操作者要求高，许多工艺参数不可控，不能任意设置温度曲线，进行多芯片共晶时，芯片重复受热，焊料多次融化易使焊接面氧化，芯片移位，焊区扩散面不规则，严重影响芯片的寿命和性能。

由此可见，真空/可控气氛共晶炉设备具有广阔的应用领域，在共晶工艺上具有独特优势。随着电子技术的发展，它会越来越受到行业内的注视。

目前常用的共晶焊的方祛有以下两种：

1.手工焊接法：即用镊子钳住硅芯片，使其与加热的局部镀金底座作相对运动，去除接触面上的氧化物，使金—硅迅速共熔。其优点是装置简单、操作方便、灵活性大，适用各种不同尺寸的芯片。缺点是焊接精度和一致性差.芯片表面易被镊子划伤。

2.超声擦动焊接法：其装置与超声压焊机相仿。焊刀将硷芯片吸住.在—定压力下，以45—60kHz的超声频率与加热的镀金底座作相对擦动消除接触处的氧化物，金-硅迅速共溶.焊刀一般采用传递机械能损失小和耐磨、耐高温性好的碳化钨硬质合金材料。这种焊接方法的优点是焊接一致性好，焊接速度快(小于 0.5s)，位置准确。特别适合中小功率器件的硅芯片与底座焊接。

尺寸较大〔如 2×2Mm2 以上)的芯片最好用机械或电磁振动，所需的时间和振幅也要大—些。

影响焊接质量的因素有：温度、压力、焊接时间、擦动频串和幅度。此外，还有金层的厚度和金层的质量、硅片背面的氧化程度等等。一般从外观上来看，要求镀金层表面结晶致密呈金的本色，无发红现象，加热后不得变色。当金层疏松或过薄，焊接加热过程中不会发红，甚至发灰，就不能焊牢。对l×1mm2的硅芯片，需要有2微米以上的致密镀金层才能获得可靠的焊接。如果镀金层较薄(1微米)时，可预先在硅芯片背面蒸发—层金来弥补。随着硅芯片面积的增大，金层的厚度要相应增加。为了对处于室温的硅芯片在焊接时焊区的热量损失及底座的热容量进行补偿，焊接温度要高于合金熔点，一般为 410土10℃。

当焊接较大面积的芯片时，为防止焊区温度下降过多和缩短焊接时间，可对焊刀加热，一般焊刀的温度在 300℃以下。