芯片共晶模块高钎透率真空回流焊接工艺.pdf

2023年5月电子工艺技术Electronics Process Technology第44卷第3期17摘要：芯片共晶模块是微波组件的重要组成部分，芯片共晶模块到壳体封装质量直接影响微波组件的电学性能和可靠性。采用真空回流焊接技术对芯片共晶模块进行低温焊接，通过优化压块材质、温度曲线和真空制程参数等方式，实现芯片共晶模块焊接钎透率达90%以上、单个空洞率低于5%的标准要求。关键词：芯片共晶模块；真空回流焊接；低温焊接；钎透率中图分类号：TN405文献标识码：文章编号：1001-3474（2023）03-0017-04Abstract:The chip eutectic module is the key section of microwave component,and the packaging quality from the chip eutectic module to the shell directly affects the electrical performance and reliability of microwave components.The vacuum refl ow soldering technology is used to weld the chip eutectic module at low temperature.By optimizing pressing material,temperature curve and vacuum profile,the standard requirements that the soldering penetration rate of the chip eutectic module is more than 90%and the single void rate is less than 5%are achieved.Keywords:chip eutectic module;vacuum reflow soldering;low-temperature soldering;soldering penetration rate Document Code:A Article ID:1001-3474(2023)03-0017-04芯片共晶模块高钎透率真空回流焊接工艺Vacuum Reflow Soldering of Chip Eutectic Module with High Soldering Penetration Rate李强，吴昱昆，汪锐LI Qiang,WU Yukun,WANG Rui（中国电子科技集团公司第三十八研究所，合肥 230088）(The 38th Research Institute of CETC,Hefei 230088,China)0 引言功率芯片通常不能直接装配到微波电路中，需要先高温共晶到钼铜衬底上组成芯片共晶模块，再低温共晶焊接到组件壳体上。这种装配方式能够保证焊接层具有较低的电阻率、较高的导热系数和较大的剪切强度，有利于电流传输和热量疏散，保障微波组件的质量可靠性1。芯片到衬底上的焊接通常使用Au80Sn20等高温焊料2。为建立足够大的温度梯度，芯片共晶模块焊接到壳体上通常使用低温焊料，如SnPbBi、InPbAg和SnPbIn等3。共晶模块承载电信号传输和热量疏散功能，对焊接钎透率要求较高，根据某些航天微波组件工艺要求，芯片共晶模块焊后钎透率不低于90%，最大单个空洞率不高于5%。芯片共晶模块尺寸一般较小，自动化焊接需要解决工装对位及芯片保护难题。鉴于此，目前芯片共晶模块低温焊接一般采用手工摩焊的方式，即以镊子夹取芯片共晶模块在熔融状态的焊料表面来回摩擦，排除焊料表面氧化物薄膜，减小焊接空洞率。手工摩焊存在缺点：1）效率低，多通道微波组件芯片共晶模块焊接量大，人工摩焊用时较长，效基金项目：安徽省重点研究与开发计划（2 0 2 1 0 4 g 0 1 0 2 0 0 1 4）。作者简介：李强（1 9 9 1-），男，博士，工程师，主要从事微组装集成工艺的研究工作。doi:10.14176/j.issn.1001-3474.2023.03.0052023年5月电子工艺技术Electronics Process Technology18率低下；2）操作技能要求高，微波电路芯片集成度高，手动操作空间狭小，操作人员需具备较高的技能水平；3）风险高，镊子夹取共晶模块手工摩焊易损伤芯片；4）焊接效果一致性差。相较于手动焊接工艺，真空回流焊接采用真空回流炉设备实现焊接过程自动化，能完美规避手工摩焊的缺点。真空回流焊接技术在微波组件封装中得到广泛应用，如表贴器件、环形隔离器、连接器、单/多层微带板、HTCC/LTCC基板的封装焊接4-6。对于功率芯片焊接，真空焊接工艺主要应用于芯片到衬底的高温共晶焊接，而在芯片共晶模块低温焊接方面鲜有应用研究7-8。本文将真空回流焊接工艺应用到芯片共晶模块低温焊接上，通过优化压块工装材质、温度曲线和真空制程参数等方式，芯片共晶模块焊接钎透率可达90%以上，单空洞最大空洞率低于5%。1 试验过程1.1 共晶模块压装方式在芯片共晶模块低温焊接前，芯片已高温焊接到衬底上，因此，压块工装设计需避开芯片，同时形成有效下压。如图1所示，某微波组件功率芯片共晶模块由三部分组成：陶瓷板、功率芯片和钼铜载体。陶瓷片与功率芯片预先用Au80Sn20高温焊料共晶焊接至钼铜载体上，形成芯片共晶模块，共晶模块再经真空回流焊接低温焊接至壳体上。芯片由GaN半导体制备，表面易受到损伤，造成功能失效。为避免压块压装时损伤芯片，压块施压时对芯片采取避让措施，压块下表面芯片对应位置设计成台阶凹面，与芯片表面不接触，压力不会作用在芯片上。此外，由于衬底表面与陶瓷片表面存在台阶落差，压块难以同时施压，因此，可将共晶模块受力面定为陶瓷片表面，如图1（b）所示。为避免压块真空回流焊接过程中移位，需对压块进行限位设计：工装横向宽度略低于隔筋槽宽度实现横向限位，通过通道隔筋与壳体边缘对工装进行限位，如图1（b）所示。受空间限制，压块质量变化可通过改变压块工装材质实现。图1 某微波组件功率芯片共晶模块图2 铝质与铁质压块（a）共晶模块 （b）共晶模块受力示意图1.2 真空回流温度曲线本文使用Sn54Pb26In20低温焊料实现芯片共晶模块至壳体焊接，Sn54Pb26In20焊料熔化温度为152。采用真空回流炉进行焊接，分为预热、加热、焊接和冷却四个阶段，共10个温区。通过调节各个温区的温度以及传输速度可实现炉温曲线的优化。1.3 真空制程真空回流炉搭配使用真空机械泵，可通过软件实现真空制程参数的调节。真空制程参数主要包括真空抽取时间、最低真空度、真空保持时间和充气时间。通过优化真空制程的参数，可提高共晶模块焊接质量。2 结果与讨论2.1 压块质量对焊接质量影响通过改变压块材质来研究压块质量对焊接质量影响，试验选取形状、结构、大小相同的铝质和铁质两种压块，如图2所示，压块质量分别为1.4 g和4.3 g。图3为不同压块质量下芯片共晶模块真空回流焊后钎透率图，从图3（a）中可看出，无压块时，焊接后共晶模块整体钎透率符合要求，但边缘处存在较大空洞，约为6.2%，不符合标准要求，显微镜下观察发现，共晶模块边缘翘起，且是普遍现象。经分析，这是由于焊料熔融状态下表面张力所致，质量不足时，下压力无法克服表面张力，共晶模块发生倾斜，造成焊接后边缘出现较大空洞。使用Al质压块施压，焊接钎透率提升明显，钎透率高于90%，如图3（b）所示，但共晶模块焊后出现轻微倾斜现象，后道工序芯片电容的贴装采用自动化方式，共晶模块倾斜会影响芯片标识（Mark）点识别，导致芯片电容自动贴装需要人工辅助调整，贴装效率下降。铝制压块较轻，真空回流过程中跨温区传输时，组件会发生轻微颠簸，铝制压块质量轻、惯性小，会发生歪斜，导致焊后部分共晶模块轻微倾斜。使用铁制压块可有效解决此问题，铁质压块质量约为铝质压块的3倍，惯性大，焊接过程不易移位倾斜，同时下压力大，焊接钎透率可到达98%，最大单空洞空洞率约为1%，如图3（c）所示，满足共晶模块焊接钎透率要求。对800个使用铁质压块的共晶模块真空回流焊后钎透率进行统计，统计结果见表1。使用铁第44卷第3期19质压块，共晶模块焊后钎透率均大于90%，真空回流焊接能够实现共晶模块焊接钎透率要求，且不造成其他影响。图3 共晶模块焊接后X-r a y 检测情况图4 炉温曲线图5 真空制程对焊接质量的影响(a)无压块 (b)铝压块 (c)铁压块(a)熔锡时间长 (b)熔锡时间短 (a)共晶模块X-r a y 检测图 (b)真空制程曲线表1 钎透率分布统计钎透率钎透率分布8 0%8 0%9 0%9 0%9 5%9 5%数量001 2 66 7 4占比001 5.7 5%8 4.2 5%2.2 炉温曲线对焊接质量影响使用测温仪对炉温曲线进行测量，可获得炉腔温度和组件实际温度。受组件热熔影响，在同一温区组件实际温度比炉腔温度低，加热足够时间，最终会与炉腔温度一致，因此相较于炉腔温度曲线，组件实际温度曲线随时间呈现右移现象。通过改变温区设置温度及真空回流炉传输速度，可对炉温曲线进行调节。焊接温度高出焊料熔点1730，焊接效果较好。图4（a）是对微波组件共晶模块进行低温焊接的温度曲线，最高温度为176，高出焊料熔点24，组件的熔锡时间为283 s，共晶模块焊接后钎透率符合要求，达到90%以上，但此温度曲线下焊接存在风险，会导致金属间化合物（IMC）过厚。金属间化合物厚度y与熔锡时间t关系可表述为：y=Dtn （1）式中：D为生长扩散系数，n为生长指数。随着熔锡时间的增加，金属间化合物厚度增加，过厚的IMC（4 m）会导致焊接位置的疲劳强度、弯曲强度、耐蚀性能及导电性能下降，影响焊接质量。此外，炉温曲线时间过长会带来焊料氧化风险增加、生产效率降低等其他负面影响。图4（b）是调节传输速度和高温区温度后的温度曲线，最高温度为173，高出焊料熔点21，组件的熔锡时间为198 s，焊接后共晶模块钎透率达到90%以上，且无大空洞。相较于曲线（a），曲线（b）熔锡时间合适，焊接质量可靠，生产效率高，因此选定曲线（b）作为共晶模块低温炉温曲线。2.3 真空制程对焊接质量影响本文研究了真空制程对芯片共晶模块低温焊接质量的影响。图5（a）为是否使用真空制程，在热风时间/s时间/s温度/温度/回流焊接后，芯片共晶模块焊后X-ray检测图。可以看出不使用真空制程，芯片共晶模块低温焊接后出现多个非连续空洞，钎透率低于65%，单空洞空洞率最大约为8%，不满足标准要求。使用真空制程，共晶模块低温焊后，多个非连续空洞变小，焊接钎透率显著提高，达到90%以上，满足要求。这说明真空负压环境可排除共晶模块回流焊接过程中的气泡，有效提高了焊接钎透率。真空制程虽然能提高共晶模块焊接钎透率，但如果参数设置不合理，可能造成其他不利影响。使用一步法真空制程，如图5（b）黑色曲线所示，即真空从100 kPa在15 s内一步抽至5 kPa，焊接后共晶模块钎透率满足标准要求，但出现了炸锡现象。一步法过程中，真空抽取过快，小气孔来不及释放，短时间内汇聚成大气泡，大气泡排出易导致炸锡。为解决以上问题，保证焊接过程中气孔充分排出，同时防止真空抽取速率过快导致炸锡现象，改用两步法抽取真空。如图5（b）中红色曲线所示，第一步15 s内将真空从100 kPa抽至30 kPa，此过程可将焊接过程中产生的小气孔及时排出，避免汇聚成大气泡；第二步15 s内将真空从30 kPa抽至5 kPa，进一步提高负压差，释放残余气泡。使用两步法抽取真空后，炸锡问题得以解决，共晶模块焊接质量明显提高。压强/k P a时间/s3 总结本文选用Sn54Pb26In20低温焊料，采用真空回流焊接工艺实现芯片共晶模块与壳体低温焊接，通过优化压块工装材质、增加工装质量、选用合适的温度曲线和二次真空制程等方式，实现芯片共晶模块的高质量低温焊接。参考文献1谢飞,刘美钥.真空共晶技术的研究应用J.电子工艺技李强，等：芯片共晶模块高钎透率真空回流焊接工艺2023年5月电子工艺技术Electronics Process Technology20术,2000,11(2):344.2 罗 红 媛.多 温 度 梯 度 焊 接 工 艺 技 术 J .电 子 工 艺 技术,2013,34(3):167.3郝成丽,王曦,查家宏,等.功率芯片高焊透率二次共晶焊接工艺技术研究J.航天制造技术,2017(6):12.4吴昱昆,王禾,任榕.微波组件大面积基板钎焊工艺研究J.电子工艺技术,2019,40(4):192.5侯一雪,乔海灵,廖智利.混合电路基板与外壳的共晶技术J.电子与封装,2007,7(8):9.6杨海华,杨涛,张玮.微波功率模块焊接工艺研究J.电子工艺技术,2016,37(5):267.7冯晓晶,夏维娟,孙鹏,等.微波芯片Au80Sn20全自动共晶焊接工艺J.电子工艺技术,2020,41(6):346.8陈帅,赵志平,张飞,等.微波芯片共晶焊接技术研究J.电子工艺技术,2018,39(3):157.（收稿日期：2022-12-05）图9 不同空洞率仿真热阻（修正后）和试验热阻空洞率/%热阻/（W-1）（上接第1 6 页）伴随着空洞率的增大，器件热阻整体呈现随之增大的趋势，空洞率在20%以下和40%以上时，热阻增大趋势很明显，空洞率在20%40%之间时，热阻增大的趋势则不明显。当空洞率在20%以内时，器件的热阻随着空洞率增大而增大，当空洞率在20%40%之间时，器件热阻随空洞率增大而减少；当空洞率在40%以上，器件热阻随空洞率增大而增大，当烧结界面空洞率达到一定值时，器件的热阻将会有一个非常急剧的升高，严重影响芯片的散热性能。对于单一中心空洞，修正后的仿真和试验曲线吻合度较高，同时可以直观地看出中心空洞、拐角空洞、阵列空洞对于热阻影响的不同。对于相同空洞率，器件热阻呈现的规律为中心空洞拐角空洞阵列空洞。一般来说，器件本身对于热阻的上限是有规定的，通过修正后的曲线能够将粘接面空洞和器件热阻建立较准确的关系，对于控制器件的热阻具有很好的指导意义。4 结论本研究对缺陷MOSFET器件进行了热分析模拟和热阻测试，得出器件结温和壳温，并结合功率计算MOSFET器件的热阻值，主要研究结果为：1）芯片粘接界面的空洞占比越大，器件的结壳温差越大，器件的热阻值越大。2）相同空洞率时，空洞位置在中心相较于在拐角处，器件热阻更大，单一空洞相较于阵列空洞器件热阻更大。3）通过热阻实测数据修正仿真曲线，二者吻合度较高，根据修正后的曲线可以预测不同位置空洞和空洞率不合格的器件热阻，并提供一定工艺指导。参考文献1 谢鑫鹏,毕向东,胡俊,等.空洞对功率芯片粘贴焊层热可靠性影响的分析J.半导体技术,2009(10):29.2 KATSIS D C,VAN WYK J D.Void-induced thermal impedence in power semiconductor modules:some transient temperature effectsJ.IEEE Trans on Industry Applications,2003,39(5):1239.3 FLEISCHER A S,CHANG L H,JOHNSON B C.The effect of die attach voiding on the thermal resistance of chip level packagesJ.Microelectronics Reliability,2006,46(5-6):794.4 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