真空共晶設備的改進對共晶焊接質(zhì)量的影響

張建宏，王 寧，楊凱駿，井文麗

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西太原030024)

真空共晶技術是近幾年來出現(xiàn)的一種利用共晶合金的特性實現(xiàn)芯片與基板、基板與管殼、蓋板與殼體的焊接。隨著芯片集成產(chǎn)品功率的增加，越來越多的芯片需要使用共晶來實現(xiàn)互聯(lián)。相比于手動氮氣保護共晶技術，真空共晶技術能夠解決大面積薄形功率芯片的無(低)空洞焊接。近幾年來，真空共晶技術在混合集成電路領域得到了比較廣泛的應用，隨著真空共晶技術的推廣，真空共晶設備的市場占有率迅速提高，在這種狀況下，以前的共晶設備無法滿足一些高可靠性的焊接。本文分析了影響焊接質(zhì)量的幾種因素，并提出了解決辦法。

1 真空度對共晶焊接質(zhì)量的影響

真空對共晶焊接的影響主要表現(xiàn)在真空條件下焊料及被焊材料表面氧化反應的變化，最終影響焊料的浸潤和鋪展。

金屬的氧化反應可以表達為：

該反應的平衡常數(shù)為：

式中：Kp為反應的平衡常數(shù)

PMex為金屬的分壓

PMexOy為反應生成的氧化物的分壓

PO2為氧的分壓

A為系數(shù)

從反應平衡常數(shù)可以看到，金屬氧化達成的平衡和系統(tǒng)的氧分壓有關。在真空系統(tǒng)當中，由于氧的分壓非常低，在真空系統(tǒng)中重新平衡時將導致原來的氧化物分解，即原來的化合反應逆向為分解反應。這種情況對分解壓大的金屬氧化膜有利，如貴金屬氧化膜等。一般的金屬氧化物分解需要的真空度極高，在技術上很難達到。

一般情況下，真空環(huán)境中共晶焊接的氧化物主要是焊料表面在使用前已經(jīng)存在的氧化膜，雖然在真空中有分解的傾向，但從反應動力學來看，焊接溫度沒有達到氧化膜開始分解的溫度。分析來看，在沒有助焊劑的情況下，真空下共晶焊接主要是阻止了焊接過程中焊料的進一步氧化，從而使焊料和被焊表面浸潤和鋪展過程中所做的功減少，有利于焊接。

在真空環(huán)境中進行焊接，可以排走焊區(qū)周圍的氣體，也排走了焊料、被焊材料在加熱過程中排放的氣體，同時在芯片上外加壓力，認為提高設備的工作真空度，降低氧含量，有利于焊接質(zhì)量的提高。以銀錫焊料為例，原有的真空共晶焊接設備的工作真空度為5 Pa，通過改進，加裝了分子泵(見圖1)，使設備的極限真空度分別提高到5×10-1Pa，5×10-2Pa，5×10-3Pa，然后再運行焊接工藝曲線(見圖2)。通過實驗，對焊接后的芯片做X射線照片分析比較 (見圖3)，驗證了真空度在5×10-2Pa和5×10-3Pa時，焊接效果明顯。

圖1 分子泵工作原理圖

圖2 焊接工藝曲線

圖3 不同真空度下芯片焊接的X射線照片

2 特殊氣氛對共晶質(zhì)量的影響

在諸多影響芯片焊接質(zhì)量的因素中(包括芯片載體表面潔凈度、粗糙度、芯片表面金屬化體系的設計及金屬化工藝水平、焊料純度及粗糙度、焊料氧化層的去除及焊接工藝曲線的控制等)，最為關心的是焊接過程中如何去除焊料層表面的氧化層，來達到焊料與芯片以及載體的浸潤狀態(tài)。

由于對芯片和基板(材料為無氧銅)散熱要求及材料的成本考慮，一般選擇延展性好的In焊料作為焊接層。不過In焊料熔點低極易氧化，無論是焊料蒸發(fā)還是焊接過程中，都會產(chǎn)生不同程度的氧化，In容易形成穩(wěn)定的氧化物，熔點達到850℃，低溫度下不會融化，如果這層氧化層不去除，焊料和芯片就不能形成較好的浸潤，從而影響器件焊接強度及散熱。

2.1 甲酸氛圍保護焊接原理

甲酸具有較強的還原能力，可以去除很厚的氧化層，不過理論上In表面的氧化層很薄，僅僅幾個納米，因此直接將甲酸溶液滴在焊料上會導致溶液的殘留，且低溫下甲酸溶液不容易揮發(fā)，還會對In焊料有一定的溶解能力，在燒焊過程中有溶液殘留的地方就會導致空洞的產(chǎn)生。因此使用直接將溶液滴在焊料上的方法是不取的。因此考慮用高純和甲酸混合氣體進入爐體，對In焊料表面的氧化層進行還原。In的還原反應分為2個溫度階段，在150～200℃時，反應式為：

在高于200℃時，反應式為：

圖4所示為和甲酸的混合氣體示意圖。

圖4 和甲酸的混合氣體流動方向

2.2 整個工藝過程及焊接效果

先抽真空，當真空度到達15Pa時，運行焊接工藝曲線(見圖5)，溫度到達150℃時，停止抽真空，向真空室充和甲酸的混合氣體，的流量控制在0.3L/m,和甲酸的混合氣體的流量控制在0.1～0.4L/m，在加熱曲線結(jié)束后，停止充甲酸混合氣體，充入氮氣進行冷卻。

和傳統(tǒng)的焊接效果(見圖6)相比，有甲酸氣體保護的效果(見圖7)無論從焊料的浸潤，還是對芯片的散熱效果，都明顯要好。

圖5 In焊料的焊接工藝曲線

圖6 傳統(tǒng)的焊接效果

圖7 有甲酸氣體保護的焊接效果

3 結(jié)束語

通過對真空共晶設備的改進，證實了對于用銀錫焊料焊接的芯片工藝，可以增加分子泵，提高真空室的真空度，避免焊料在加熱過程中氧化；對于用In焊料焊接的芯片工藝，可以充入高純和甲酸混合氣體，對焊料表面的氧化物進行還原。與原來的工藝相比，改進后的2種工藝無論是焊料的浸潤性，還是對芯片的散熱都有明顯的優(yōu)勢。

[1]謝飛，劉美玥.真空共晶技術的研究應用[J].電子工藝技術，2006，27（6）：344-347.

[2]中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊-焊接方法及設備（第二版）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.