基于國(guó)產(chǎn)金錫焊料的功率芯片焊接工藝及可靠性研究

馮曉晶 夏維娟 趙晉敏 賈旭洲 趙煒

（1 西安空間無線電技術(shù)研究所，西安 710000）（2 中國(guó)空間技術(shù)研究院，北京 100010）

0 引言

隨著單片微波集成電路技術(shù)與第三代半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展，星載固態(tài)功率放大器朝著高效率、小尺寸、輕量化的方向發(fā)展［1-5］。雷達(dá)T/R 組件的關(guān)鍵部件中用到大量功率器件，如GaAs/GaN 大功率芯片。該類型功率芯片一般為寬禁帶半導(dǎo)體芯片，其芯片尺寸較小、熱流密度大，在工作中熱耗高達(dá)30 W。受產(chǎn)品空間尺寸限制與材料自身導(dǎo)熱能力差的影響，為了將熱量快速散發(fā)出去，防止芯片工作時(shí)開裂燒毀等失效，一般選擇金屬作為互聯(lián)材料，將芯片安裝在鎢銅或銅金剛石等高導(dǎo)熱載體上形成快速傳熱通道，降低工作溫度，降低失效風(fēng)險(xiǎn)。

金錫（Au80Sn20）共晶合金焊料熔點(diǎn)為280 ℃，文獻(xiàn)［1-3］中報(bào)道的熱導(dǎo)率為57 W/（m·K）。具有許多優(yōu)秀的物理特性，如釬焊溫度適中、導(dǎo)熱性能好、無需助焊劑、良好潤(rùn)濕性、低黏滯性、釬焊強(qiáng)度高、抗氧化性能優(yōu)良等，能夠耐受熱沖擊、熱疲勞。基于共晶特點(diǎn)，很小的過熱度就可使焊料熔融并潤(rùn)濕器件。且該合金凝固過程也很快，可大大縮短整個(gè)焊接周期、避免芯片高溫停留時(shí)間。對(duì)于后道選用導(dǎo)電膠粘接的產(chǎn)品，留有足夠裕度的溫度梯度，非常適合作為功率器件的焊接互聯(lián)材料，在高可靠氣密封裝中應(yīng)用廣泛［2-6］。

本文基于國(guó)產(chǎn)金錫焊料，對(duì)其關(guān)鍵特性化學(xué)成分、熔點(diǎn)、熱導(dǎo)率進(jìn)行分析，并采用手動(dòng)方式進(jìn)行功率芯片摩擦共晶焊接工藝研究，對(duì)功率芯片金錫焊接宇航應(yīng)用可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 金錫焊料基礎(chǔ)特性

1.1 化學(xué)成分

化學(xué)成分是金錫焊料最重要的一個(gè)性能指標(biāo)，雜質(zhì)含量過高對(duì)焊料的抗氧化能力及焊接性能有著不利的影響［7］；金和錫比例偏差過大將導(dǎo)致焊料熔化溫度大幅偏離標(biāo)稱值。利用元素分析儀、電感耦合等離子質(zhì)譜儀，參照YS/T 1120—2016［8］金錫焊料的化學(xué)成分進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果詳見表1。結(jié)果顯示3 個(gè)批次化學(xué)成分中Sn 元素含量為20.11%～20.47%，Au元素含量為79.52%～79.88%，雜質(zhì)元素含量上限為0.0085%～0.0086%，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)“Sn：20.0%±0.5%，Au：80.0%±1%，其他雜質(zhì)的總量不大于0.15%”的要求，國(guó)產(chǎn)與進(jìn)口焊帶各雜質(zhì)元素含量均＜0.001%。

表1 焊帶化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果Tab.1 The results of chemical composition of solder strip

1.2 熔點(diǎn)

金錫焊料熔點(diǎn)是金和錫原料配比的一個(gè)反映，熔點(diǎn)直接影響焊接工藝參數(shù)的選擇。利用差式掃描量熱儀、參照GB/T 1425—1996［9］進(jìn)行熔點(diǎn)檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果表明3 個(gè)批次焊料熔點(diǎn)均為281 ℃，與文獻(xiàn)［1-3］報(bào)道的相差不大。與進(jìn)口焊料［圖1（b）］的熔點(diǎn)相差1 ℃。在焊接過程中選擇適當(dāng)?shù)暮附訙囟龋杀ＷC焊料熔化和潤(rùn)濕充分。

圖1 不同焊帶的DSC測(cè)試結(jié)果Fig.1 The results of DSC test for different solder strips

1.3 熱導(dǎo)率

焊料在大功率器件焊接中不僅起連接作用，還起到優(yōu)良的導(dǎo)熱作用，熱導(dǎo)率是很重要的一個(gè)性能指標(biāo)。采用機(jī)械加工成Φ9.8 mm×δ2.2 mm 的金錫測(cè)試樣件，使用DSC 參照ASTM E1269—2011［10］方法進(jìn)行25 ℃比熱容試驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)果表明室溫下焊料的比熱容平均值為0.153 J/（g·K）。使用閃射法導(dǎo)熱儀，參照GB/T 22588—2008［11］進(jìn)行熱擴(kuò)散系數(shù)檢測(cè)，得到25 ℃下熱擴(kuò)散系數(shù)平均值為17.305 mm2/s。

根據(jù)公式λ=a·cp·ρ計(jì)算，式中，λ為熱導(dǎo)率，a為熱擴(kuò)散系數(shù)，cp為比熱容，ρ為密度。計(jì)算得到室溫下焊料的熱導(dǎo)率平均值為38.4 W/（m·K）。

2 功率芯片金錫焊接工藝

常見的功率芯片金錫焊接工藝主要包括手動(dòng)摩擦共晶焊接、設(shè)備全自動(dòng)摩擦共晶焊接、真空共晶焊接。優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比情況見表2。

表2 三種共晶焊接技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比Tab.2 Comparison of advantages and disadvantages of three eutectic welding techiques

手動(dòng)摩擦焊接靈活性高、貼裝設(shè)備全自動(dòng)摩擦焊接位置精度高、真空共晶焊接更適合批量生產(chǎn)。由于三種焊接方法選用的焊接載體和焊接界面均相同，焊接效果均滿足要求，基于此，可靠性試驗(yàn)對(duì)其焊接質(zhì)量的影響應(yīng)相同，選用手動(dòng)摩擦方式進(jìn)行共晶焊接可靠性研究。

高質(zhì)量的焊接可保證功率芯片良好的散熱，其焊接效果評(píng)價(jià)包括焊接外觀、孔洞率和剪切強(qiáng)度。基于國(guó)產(chǎn)焊料進(jìn)行手動(dòng)摩擦焊接工藝研究，外觀要求為“焊料不能延伸或飛濺到芯片頂部表面，焊料溢出應(yīng)大于貼裝件周長(zhǎng)的75%，焊料不能出現(xiàn)剝落、起皮、裂紋”；孔洞率要求為“總孔洞率不大于10%，單個(gè)空洞不大于3%”；剪切強(qiáng)度滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)芯片剪切強(qiáng)度要求。

手動(dòng)摩擦共晶焊接是傳統(tǒng)的成熟焊接工藝。摩擦共晶焊接過程中，使芯片對(duì)載體做相對(duì)運(yùn)動(dòng)。一方面，摩擦使熔融焊料在載體表面潤(rùn)濕繼而鋪展，鍍層中的金擴(kuò)散至焊料中發(fā)生共晶反應(yīng)，冷卻后會(huì)形成互聯(lián)接頭；另一方面，摩擦使焊料受壓沿著焊接面間隙往外作溢出運(yùn)動(dòng)，擠出氣體的同時(shí)，也去除了接觸面氧化物而實(shí)現(xiàn)低孔洞率焊接。根據(jù)手動(dòng)摩擦的特點(diǎn)，主要控制的參數(shù)包括焊接溫度、焊料量與摩擦次數(shù)。

圖2 手動(dòng)摩擦焊接示意圖Fig.2 The diagram of manual friction welding

GaAs基毫米波功率芯片最高耐受溫度一般不超過320 ℃。設(shè)置不同的焊接溫度進(jìn)行焊接試驗(yàn)，結(jié)果見表3。

表3 焊接溫度對(duì)焊接質(zhì)量的影響Tab.3 The influence of welding temperature on quality

當(dāng)熱臺(tái)溫度設(shè)置在300～305 ℃，焊料熔融迅速、焊接效果良好。采用寬度為1.0 mm、厚度為30 μm的焊片進(jìn)行焊料量對(duì)焊接效果的影響實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表4。當(dāng)焊料量鋪展后面積為芯片面積80%時(shí)，可保證良好焊接效果。

表4 焊料量對(duì)焊接質(zhì)量的影響結(jié)果Tab.4 The influence of solder quantity on welding quality

同時(shí)，通過反復(fù)試驗(yàn)，焊接摩擦次數(shù)為8～10 次，在摩擦過程中可確保焊接面光亮平整、有利于實(shí)現(xiàn)低孔洞率的焊接質(zhì)量。當(dāng)摩擦次數(shù)超過10 次時(shí)，孔洞率幾乎保持不變，且由于焊接摩擦次數(shù)增加，焊接過程中氧化物增多，不利于實(shí)現(xiàn)低孔洞率。

3 宇航可靠性驗(yàn)證

3.1 可靠性試驗(yàn)設(shè)計(jì)

對(duì)尺寸規(guī)格為3.5 mm×4.0 mm×0.08 mm 的GaAs 芯片分別與4.6 mm×3.7 mm×0.25 mm 可伐熱沉、4.6 mm×4.0 mm×0.25 mm 鎢銅熱沉、4.7 mm×3.7 mm×0.30 mm 銅金剛石熱沉，采用手工摩擦方式、使用國(guó)產(chǎn)金錫焊料進(jìn)行熱耗18 W 芯片樣件制作［圖3（a）］，熱沉組件粘接在硅鋁管殼［圖3（b）］便于進(jìn)行后續(xù)可靠性試驗(yàn)。其中，芯片選用背金砷化鎵芯片；對(duì)器件（包括載體、熱沉）表面鍍Ni-Au，Ni 層厚度2.5～5.0 μm，Au層厚度1.3～4.0 μm。

圖3 樣件制作示意圖Fig.3 The schematic diagram of the samples

3.2 可靠性試驗(yàn)結(jié)果

從圖4 焊接樣件外觀看出，表5 的環(huán)境試驗(yàn)前后焊接件外觀均符合檢驗(yàn)規(guī)范要求。3 種樣件的X 光檢測(cè)結(jié)果見圖5，不同樣件總體孔洞率最大值僅為1.5%，滿足小于10%、單個(gè)孔洞小于3%的要求。

圖4 焊接樣件Fig.4 The results of the welding specimen

表5 可靠性環(huán)境試驗(yàn)Tab.5 Reliability environment test

圖5 不同組合樣件的孔洞率檢測(cè)結(jié)果Fig.5 The hole rate results of various welding samples

采用Dage4000Pluse 進(jìn)行剪切強(qiáng)度測(cè)試，采用X光機(jī)進(jìn)行孔洞率檢測(cè)。環(huán)境試驗(yàn)見表6，按順序依次進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)。從表6剪切力測(cè)試結(jié)果看出，可靠性試驗(yàn)后焊接件剪切強(qiáng)度均滿足規(guī)范要求，焊接件在剪切時(shí)失效模式均為芯片被推碎、芯片殘留面積均大于50%，芯片-可伐焊接件剪切最小力為42.04 N、平均為58.21 N；芯片-鎢銅焊接件剪切最小力為64.48 N、平均為75.4 N；芯片-銅金剛石焊接件剪切最小力為71.74 N、平均為93.84 N，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

表6 環(huán)境試驗(yàn)后焊接樣件剪切強(qiáng)度1）Tab.6 The shear strength of the welding specimen after the environmental tests1）

不同組合隨機(jī)選擇一個(gè)樣件進(jìn)行制樣，并進(jìn)行電鏡掃描，典型結(jié)果見圖6。對(duì)比文獻(xiàn)［7］中報(bào)道的，所檢焊點(diǎn)除微小孔洞外，焊料狀態(tài)及合金層形態(tài)無異常。進(jìn)一步表明Au80Sn20 焊料在母材表面的潤(rùn)濕性良好，保證了高質(zhì)量焊接。對(duì)合金層厚度進(jìn)行測(cè)量，不同樣件芯片側(cè)的IMC（即金屬間化合物）厚度不明顯，熱沉側(cè)IMC在0.29～1.26 μm，說明芯片和熱沉之間通過金錫焊料形成有效的合金層。

圖6 樣件的SEM結(jié)果Fig.6 The SEM results of the specimen

4 結(jié)論

（1）國(guó)產(chǎn)金錫焊帶化學(xué)成分中Sn 元素含量為20.11%～20.47%，Au 元素含量為79.52%～79.88%，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)要求。3 個(gè)批次焊料熔點(diǎn)均為281 ℃，與進(jìn)口相差不大。室溫下焊料熱導(dǎo)率平均值為38.4 W/（m·K）。

（2）基于國(guó)產(chǎn)焊料、采用手動(dòng)摩擦方式進(jìn)行共晶焊接工藝研究，得到關(guān)鍵影響參數(shù)：焊接溫度設(shè)300～305 ℃、焊料焊料量鋪展后面積為芯片面積80%、焊接摩擦次數(shù)為8～10次。

（3）功率器件金錫摩擦焊接后，總孔洞率小于10.0%、單個(gè)孔洞率小于3.0%。經(jīng)歷一系列嚴(yán)苛的環(huán)境熱力學(xué)試驗(yàn)，剪切強(qiáng)度滿足要求，SEM 結(jié)果顯示焊接界面為典型的金錫焊接結(jié)果、焊點(diǎn)無異常。