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共晶焊接技术

来源:本站原创  作者:发光二极管  日期:2018年06月19日

 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,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,在进行多芯片共晶时,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。

 共晶合金有以下特性: 

(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。 

 温度控制工艺曲线参数的确立 

     共晶焊接方法用于高频、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。 

      由于共晶时需要的温度较高,特别是用AuGe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。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。 

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。 

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。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。 

  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。  

 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1.5m,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,发光二极管行业也是共晶炉应用领域。 

 


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