微波GaAs功率芯片AuSn共晶焊接微觀組織結(jié)構(gòu)研究*

吳 娜，胡永芳，嚴(yán) 偉，李孝軒

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

微波GaAs功率芯片AuSn共晶焊接微觀組織結(jié)構(gòu)研究*

吳 娜，胡永芳，嚴(yán) 偉，李孝軒

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

文中采用Au80Sn20共晶焊料對(duì)GaAs功率芯片與MoCu基板進(jìn)行焊接，分析了焊接溫度、摩擦次數(shù)等工藝參數(shù)對(duì)共晶焊接的影響，給出了GaAs芯片共晶焊的工藝參數(shù)控制要求，通過(guò)掃描電鏡及能譜儀分析接頭的顯微組織、元素分布，通過(guò)X射線檢測(cè)儀測(cè)定接頭的孔洞率，研究GaAs芯片背面和MoCu基板表面的鍍層與焊料之間的相互作用以及焊縫的凝固過(guò)程。GaAs芯片背面的Au層部分溶解在AuSn焊料中，MoCu基板表面的Au層完全溶解在AuSn焊料中，焊縫與Ni層結(jié)合，焊縫由靠近兩側(cè)母材的ζ-Au5Sn金屬間化合物層和中間的Au-Sn共晶組織組成。

AuSn；GaAs；鍍層；共晶焊接；微觀組織

引 言

GaAs功率芯片具有體積小、帶寬寬、一致性高等優(yōu)點(diǎn)，在相控陣?yán)走_(dá)、微波通信系統(tǒng)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用，成為雷達(dá)T/R組件的關(guān)鍵器件[1]。但GaAs功率芯片的基體材料導(dǎo)熱性差。MoCu基板是一種具有較低膨脹系數(shù)和優(yōu)異熱導(dǎo)率的電子封裝材料, 將功率芯片裝配在基板上可增大芯片的散熱面積，降低芯片的工作溫度，減少熱應(yīng)力失效[2]。

大功率芯片與基板的連接必須要有良好的微波接

地性能和較好的散熱能力，因此其裝配難度極高[3]。而共晶焊接具有連接電阻小、傳熱效率高、散熱均勻、焊接強(qiáng)度高、工藝一致性好等優(yōu)點(diǎn)，所以特別適用于高頻、大功率器件和有較高散熱要求的功率器件的焊接[4]。

本文采用Au80Sn20共晶焊料實(shí)現(xiàn)GaAs功率芯片與MoCu鍍金基板的焊接，電子元器件常通過(guò)鍍層提高可焊性，熔融焊料與鍍層之間發(fā)生2個(gè)方面的相互作用[5-6]：一個(gè)是鍍層金屬溶解到熔融焊料中去；另

一個(gè)是焊料與鍍層金屬結(jié)合，在界面處形成金屬間化合物。本文主要分析焊縫的顯微組織、元素分布和孔洞率等，研究焊料與芯片背面和基板表面的鍍層之間的相互作用以及焊縫的凝固結(jié)晶過(guò)程，并在此基礎(chǔ)上分析GaAs芯片共晶焊接的工藝參數(shù)控制特點(diǎn)，可以更好地指導(dǎo)工藝參數(shù)優(yōu)化，有利于保證焊接質(zhì)量穩(wěn)定性。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)采用的基板為表面鍍Ni/Au的MoCu材料，如圖1所示。Ni層厚5 μm，Au層厚3 μm。GaAs功率放大芯片背面最表層金屬化層為Au層，厚6 μm。采用Au80Sn20共晶焊料將GaAs功率放大芯片焊接在MoCu基板上，焊料的物理性能見(jiàn)表1。

圖1 MoCu基板的顯微組織

表1 Au80Sn20焊料的物理性能

焊后采用X射線檢測(cè)儀測(cè)定樣品的孔洞率，將試樣沿垂直于焊縫的方向切割并鑲嵌、打磨和拋光，制成金相試樣。采用結(jié)晶碘+KI+H2O+乙醇混合溶液腐蝕樣品，通過(guò)掃描電鏡觀察焊縫的顯微組織，通過(guò)能譜分析測(cè)定不同區(qū)域的點(diǎn)成分及整個(gè)焊縫區(qū)的元素分布。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 顯微組織

GaAs功率芯片與MoCu基板共晶焊接頭的顯微組織如圖2所示。雖然GaAs芯片較脆，但接頭中無(wú)裂紋等缺陷。焊接接頭出現(xiàn)4個(gè)不同的特征區(qū)域，如圖2(b)所示。通過(guò)EDS能譜分析測(cè)定各區(qū)域的成分，見(jiàn)表2。

圖2 GaAs芯片/MoCu基板共晶焊接頭的顯微組織

位置AuSnNiCuGaAs點(diǎn)192．60———4．842．56點(diǎn)279．7013．305．531．47——點(diǎn)386．0613．94————區(qū)域470．7629．24————

靠近GaAs側(cè)白色區(qū)域(點(diǎn)1)的Au元素含量為92.60%，含有少量Ga、As元素。因此，該區(qū)域?yàn)楹负驡aAs芯片背面殘留的Au層。殘留Au層的厚度約5 μm，焊前GaAs芯片背面Au層的厚度為6 μm，因此焊接過(guò)程中GaAs背面約1 μm的金層溶解到了AuSn焊料中。

靠近MoCu基板側(cè)灰色區(qū)域(點(diǎn)2)主要含有Au、Sn及少量的Ni、Cu元素，Au、Sn元素的含量分別為79.70%和13.30%。焊前MoCu基板鍍Ni層表面存在3 μm的Au層，結(jié)合顯微組織及能譜分析可知：MoCu基板表面的Au層完全溶解在了AuSn焊料中，焊縫實(shí)際上與基板表面的Ni層結(jié)合。焊接過(guò)程中MoCu基板直接接觸加熱臺(tái)，GaAs芯片通過(guò)真空吸嘴吸取進(jìn)行摩擦焊接。吸嘴本身及真空會(huì)帶走部分熱量，導(dǎo)致GaAs芯片的溫度低于MoCu基板，因此芯片背面Au層向AuSn焊料中的溶解量低于MoCu基板。

靠近GaAs背面Au層側(cè)的灰色區(qū)域(點(diǎn)3)與靠近MoCu基板表面Ni層側(cè)灰色區(qū)域的Au、Sn元素含量接近，Sn含量分別為13.94%和13.30%。Au/Sn原子比≈6，根據(jù)AuSn相圖[7](如圖3所示)，灰色區(qū)域?yàn)棣?Au5Sn相。

圖3 AuSn相圖

Au80Sn20焊料為共晶成分，MoCu基板表面的Au層完全溶解在焊料中，從而使其Au含量升高，焊料的成分偏離共晶點(diǎn)。AuSn焊料的熔點(diǎn)對(duì)Au含量比較敏感，質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加1%將引起熔點(diǎn)升高30 ℃[8]。如果過(guò)量Au層溶解在焊料中，當(dāng)焊料的熔點(diǎn)等于焊接溫度時(shí)，焊料將提前凝固，從而無(wú)法繼續(xù)摩擦焊接。焊接過(guò)程中需控制焊接溫度和焊接時(shí)間，保證焊接溫度高于焊料熔點(diǎn)。

在降溫過(guò)程中，焊縫金屬首先在靠近兩側(cè)母材界面凝固形成富Au的ζ-Au5Sn相，并以連續(xù)層狀生長(zhǎng)。隨著富Au相的大量析出，焊縫中間殘留的液相成分接近共晶點(diǎn)，溫度降至280 ℃時(shí)會(huì)發(fā)生共晶反應(yīng)L→δ-AuSn+ζ，形成共晶組織，如圖2(b)中區(qū)域4所示。因此MoCu基板與GaAs之間的區(qū)域可分為Au層區(qū)和焊縫區(qū)，如圖2中虛線所示。

在GaAs芯片焊接過(guò)程中，應(yīng)防止背面Au層大量溶解在AuSn焊料中引起焊料熔點(diǎn)升高。降低焊接溫度能夠抑制芯片背面Au層溶解，但焊料熔點(diǎn)與焊接溫度的差距小，焊料熔點(diǎn)容易升高至焊接溫度；升高焊接溫度可增大焊料熔點(diǎn)與焊接溫度的差距，但會(huì)促進(jìn)芯片背面Au層的溶解，使焊料熔點(diǎn)的增幅更大。因此需要在焊接溫度設(shè)定與Au層溶解量之間找到平衡點(diǎn)。

2.2 元素分布

采用能譜分析儀對(duì)GaAs芯片/MoCu基板共晶焊接頭的元素分布進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定位置如圖4所示。接頭的元素分布結(jié)果如圖5所示。

圖4 GaAs芯片/MoCu基板共晶焊接頭的測(cè)量位置

圖5 GaAs芯片/MoCu基板共晶焊接頭的元素分布

GaAs芯片側(cè)Au層與焊縫區(qū)之間元素過(guò)渡均勻，從Au層到焊縫區(qū)Au元素的含量逐漸減少；僅有少量Sn元素從焊縫區(qū)擴(kuò)散至Au層。GaAs芯片與焊縫的結(jié)合主要通過(guò)背面Au層在焊料中的溶解實(shí)現(xiàn)。

MoCu基板到焊縫區(qū)的元素分布存在明顯臺(tái)階，從基板表面Ni層至焊縫，Ni元素含量明顯降低，Au元素含量明顯升高，在Ni層與焊縫之間形成界面過(guò)渡區(qū)。由于焊接溫度為308 ℃，焊接時(shí)間小于30 s，界面過(guò)渡區(qū)較窄，僅1.5 μm。MoCu基板與焊縫的結(jié)合主要通過(guò)表面Ni層與焊料之間的元素?cái)U(kuò)散實(shí)現(xiàn)?；灞砻娴腁u層主要起防止Ni層氧化的作用，焊縫與Ni層結(jié)合。

焊縫區(qū)中間的Sn含量較高，靠近母材兩側(cè)的Sn含量較低。這是由于凝固過(guò)程首先形成富Au的ζ-Au5Sn相，使剩余液相Sn含量升高，導(dǎo)致元素偏析。

2.3 孔洞率

X射線檢測(cè)是根據(jù)樣品不同部位對(duì)X射線吸收率和透射率的不同，利用X射線通過(guò)樣品各部位衰減后的射線強(qiáng)度來(lái)檢測(cè)樣品內(nèi)部缺陷的方法。GaAs功率芯片與MoCu基板共晶焊后采用X射線檢測(cè)儀測(cè)定樣品的孔洞率，如圖6所示。孔洞率為1.83%，僅存在少量小孔洞。圖7為焊縫中孔洞的顯微組織，孔洞兩側(cè)有Au5Sn金屬間化合物層與GaAs背面的Au層、MoCu基板表面的Ni層結(jié)合。表明AuSn焊料在母材表面的潤(rùn)濕性較好，孔洞不是由于焊料不潤(rùn)濕母材形成的，而是因?yàn)槟Σ梁附舆^(guò)程中有殘留氣體包裹在熔融焊料中，凝固后形成縮孔。

圖6 GaAs芯片與MoCu基板共晶焊孔洞率

圖7 焊縫中的孔洞

在GaAs芯片焊接過(guò)程中，應(yīng)促進(jìn)焊縫中的氣體排出減少焊接孔洞。增加摩擦次數(shù)可促進(jìn)焊料潤(rùn)濕母材，減少氣孔，但是摩擦次數(shù)過(guò)多會(huì)導(dǎo)致Au層溶解量增加，導(dǎo)致焊料提前凝固，繼續(xù)摩擦?xí)p傷芯片。因此，需要合理設(shè)置焊接溫度、摩擦次數(shù)等參數(shù)，才能實(shí)現(xiàn)GaAs芯片的高成品率和高可靠共晶焊接。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文主要研究了AuSn焊料與GaAs功率芯片背面和MoCu基板表面鍍層的相互作用以及焊縫的凝固結(jié)晶過(guò)程。AuSn焊料在兩側(cè)母材表面的潤(rùn)濕性較好，GaAs芯片背面的Au層部分溶解在AuSn焊料中，焊縫與GaAs芯片的結(jié)合主要通過(guò)Au層在AuSn焊料中

的溶解實(shí)現(xiàn)；基板表面的Au層完全溶解在焊料中，焊縫與基板的結(jié)合通過(guò)焊縫與Ni層之間的元素?cái)U(kuò)散實(shí)現(xiàn)。基板表面的Au層主要起防止Ni層氧化的作用，焊縫與Ni層形成良好結(jié)合。焊縫由靠近兩側(cè)母材的ζ-Au5Sn金屬間化合物層和中間的Au-Sn共晶組織組成。焊接過(guò)程中需合理設(shè)置焊接溫度和摩擦次數(shù)，防止GaAs功率芯片背面的Au層過(guò)量溶解和焊縫氣孔殘留。

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吳 娜(1987-)，女，博士，工程師，主要從事微組裝工藝研究。

Microstructure Characterization Analysis of Eutectic BrazedMicro-wave GaAs Power Chip Using AuSn Filler Metal

WU Na，HU Yong-fang，YAN Wei，LI Xiao-xuan

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

Micro-wave GaAs power chip is brazed to MoCu substrate by Au80Sn20 eutectic filler metal. The effect of process parameters such as brazing temperature, scrub numbers on eutectic brazing is studied. The rule of process parameters control is introduced. Microstructure, elemental distribution and void rate are analyzed by scanning electron microscope (SEM), energy dispersive spectroscopy (EDS) and X-ray equipment. Interfacial interactions between AuSn filler metal and the plating layers of GaAs and MoCu are studied. Solidification behavior of the brazed joint is revealed. Au plating layer at the back of GaAs dissolves into AuSn filler metal partly. However, the Au plating layer on the surface of MoCu dissolves into AuSn filler metal completely and the brazed zone is bonded to the Ni plating layer. The brazed zone is composed ofζ-Au5Sn at the side of base metals and Au-Sn eutectic at the center.

AuSn; GaAs; plating layer; eutectic brazing; microstructure

2016-06-28

TG457.19

A

1008-5300(2016)04-0050-04