功率芯片高焊透率二次共晶焊接工藝技術(shù)研究

郝成麗 王 曦 查家宏 邵明坤

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功率芯片高焊透率二次共晶焊接工藝技術(shù)研究

郝成麗 王 曦 查家宏 邵明坤

（北京華航無(wú)線(xiàn)電測(cè)量研究所，北京 100013）

介紹了功率芯片二次共晶工藝中焊料選型對(duì)共晶工藝的影響。通過(guò)對(duì)共晶后的試驗(yàn)件進(jìn)行焊透率、剪切強(qiáng)度測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)使用In-15Pb-5Ag焊料和Sn-37Pb焊料進(jìn)行二次共晶后的樣品，其焊透率全部達(dá)到了90%以上，且剪切力均符合GJB548B“方法2019.2 芯片剪切強(qiáng)度”中的相關(guān)要求。

二次共晶；焊透率；剪切強(qiáng)度

1 引言

現(xiàn)階段，在對(duì)微波產(chǎn)品進(jìn)行MMIC芯片組裝時(shí)，許多研究所為滿(mǎn)足裸芯片的良好接地、安裝高度匹配及熱匹配等工藝性能要求，通常采用在鉬銅鍍金載片上粘接或共晶焊接芯片后再將載片整體環(huán)氧粘接在殼體內(nèi)的工藝方法?？墒悄壳巴ㄟ^(guò)越來(lái)越多的產(chǎn)品失效案例發(fā)現(xiàn)，受限于環(huán)氧導(dǎo)電粘接膠本身的材料特性，在產(chǎn)品長(zhǎng)期存放及使用過(guò)程中，不可避免地會(huì)出現(xiàn)機(jī)械強(qiáng)度下降、電氣性能退化等問(wèn)題，從而導(dǎo)致最終產(chǎn)品失效。為此開(kāi)展針對(duì)已共晶功率芯片的鉬銅載片同結(jié)構(gòu)殼體低溫共晶焊接的工藝技術(shù)研究，摸索、掌握合理有效的高可靠性工藝實(shí)現(xiàn)方法取代現(xiàn)有的環(huán)氧導(dǎo)電粘接方式，從而進(jìn)一步提升微波產(chǎn)品的長(zhǎng)期可靠性提供裝配技術(shù)保障顯得尤為重要。

2 關(guān)鍵技術(shù)

多溫度梯度焊接工藝，通常是指在焊接過(guò)程中使用幾種不同熔點(diǎn)溫度的焊料，按照焊料熔點(diǎn)溫度遞減的順序原則，從而逐級(jí)梯度焊接，最終實(shí)現(xiàn)微波MMIC芯片與載片、載片與結(jié)構(gòu)殼體高可靠連接的一種工藝技術(shù)。多溫度梯度焊接工藝是有效解決高頻微波模塊射頻接地、散熱的重要工藝途徑[1]。

從目前了解來(lái)看，一次共晶采用的焊料一般為Au-20Sn（熔點(diǎn)：280℃）和Au-27Ge（熔點(diǎn)：356℃），因此，二次共晶選擇的焊料熔點(diǎn)溫度應(yīng)該低于以上釬料熔點(diǎn)20～50℃。經(jīng)過(guò)調(diào)研，最終選定Sn-52In（熔點(diǎn)：120℃）、In-15Pb-5Ag（熔點(diǎn)：154℃）、Sn-37Pb（熔點(diǎn)：183℃）、Sn-3.5Ag（熔點(diǎn)：221℃）四種焊料進(jìn)行二次共晶工藝驗(yàn)證試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)過(guò)程

印制板槽體長(zhǎng)度設(shè)計(jì)了1mm的縫隙尺寸（圖1中a+b），縫隙寬度確定為150μm。試驗(yàn)之前將殼體浸沒(méi)在無(wú)水乙醇溶液中超聲清洗15min，用手術(shù)刀在顯微鏡下將印制板挖出不同尺寸的槽體，然后將印制板采用H20E導(dǎo)電膠粘接于殼體上，鋪上濾紙，壓塊壓實(shí)，置于120℃烘箱中保溫3h。保溫結(jié)束后，在顯微鏡下清除槽體邊界留溢出的導(dǎo)電膠，確保焊接面干凈與平整。

圖1 印制板槽體縫隙長(zhǎng)度尺寸設(shè)計(jì)圖

采用四種共晶焊料分別進(jìn)行二次共晶試驗(yàn)，加熱臺(tái)設(shè)定高于焊料熔點(diǎn)20～50℃，首先將焊料涂覆在某一鍍金平板上，用刮板刮平，用鑷子夾住鉬銅載片進(jìn)行摩擦數(shù)次，待其冷卻后確保載片一面搪的焊料光亮平整。將殼體置于加熱臺(tái)上，預(yù)熱完成后，在殼體的印制板槽體中涂覆共晶焊料，用刮板刮平，用鑷子清除刮到槽體邊界已經(jīng)氧化的焊渣。將一面搪過(guò)焊料的鉬銅載片夾到槽體中間，預(yù)熱5s，用鑷子夾住鉬銅載片，保持載片處于水平位置，小心摩擦5s左右，從加熱臺(tái)取下，完成二次共晶過(guò)程。為了排除由于人工操作帶來(lái)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果隨機(jī)性，每種焊料設(shè)計(jì)15個(gè)樣品進(jìn)行試驗(yàn)。

由于Sn-52In和Sn-3.5Ag焊料在金層表面的潤(rùn)濕性不好，因此在鉬銅載片以及殼體預(yù)涂覆焊料的過(guò)程中需要借助助焊劑來(lái)增加焊料的潤(rùn)濕性，由于焊料中自帶或人為添加的助焊劑會(huì)嚴(yán)重影響焊透率，為了清除助焊劑，在殼體預(yù)涂覆焊料后采用汽相清洗。

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 焊透率

對(duì)使用Sn-52In、In-15Pb-5Ag、Sn-37Pb和Sn-3.5Ag四種焊料進(jìn)行二次共晶試驗(yàn)后的樣品進(jìn)行X光檢測(cè)，如圖2所示。從圖中可以看出，使用Sn-52In和Sn-3.5Ag焊料進(jìn)行二次共晶試驗(yàn)，雖然殼體預(yù)涂覆焊料后進(jìn)行了清洗，但總有一些助焊劑殘留，這些助焊劑的存在導(dǎo)致樣品的焊透率較低。

a Sn-52In b In-15Pb-5Ag c Sn-37Pb d Sn-3.5Ag

a Sn-52In b In-15Pb-5Agc Sn-37Pb d Sn-3.5Ag

表1 不同焊料二次共晶樣品焊透率分布表

對(duì)每種焊料二次共晶后的15個(gè)樣品的焊透率進(jìn)行概率分布統(tǒng)計(jì)，如圖3和表1所示。

由此可見(jiàn)，使用In-15Pb-5Ag或Sn-37Pb焊料進(jìn)行二次共晶樣品的焊透率比使用Sn-52In、和Sn-3.5Ag焊料進(jìn)行二次共晶樣品的焊透率分布要更加集中穩(wěn)定，而且焊透率更高。

4.2 剪切性能

對(duì)使用Sn-52In、In-15Pb-5Ag、Sn-37Pb和Sn-3.5Ag四種焊料進(jìn)行二次共晶試驗(yàn)后的樣品進(jìn)行剪切性能測(cè)試，將不同焊料二次共晶后的7個(gè)樣品的剪切力進(jìn)行概率分布統(tǒng)計(jì)，如下圖4和表2所示。

a Sn-52In b In-15Pb-5Agc Sn-37Pb d Sn-3.5Ag

表2 不同焊料二次共晶樣品剪切力分布表

根據(jù)GJB548B“方法2019.2 芯片剪切強(qiáng)度”中的相關(guān)要求，鉬銅載片尺寸為3.6mm×5.8mm，其剪切力要大于5kg才能符合標(biāo)準(zhǔn)，從表2數(shù)據(jù)來(lái)看，以上剪切力數(shù)值均符合標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)可以看出，Sn-37Pb和Sn-3.5Ag焊料二次共晶后的樣品剪切力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Sn-52In和In-15Pb-5Ag焊料二次共晶后的樣品剪切力，這一結(jié)論與焊料本身的強(qiáng)度有很大的關(guān)系。下面將對(duì)剪切斷口進(jìn)行SEM觀察，得出其斷裂模式。

焊料和基板之間一旦發(fā)生潤(rùn)濕，焊料和基板之間的界面反應(yīng)就開(kāi)始了。焊料和基板在釬焊過(guò)程中形成的金屬間化合物IMC（Intermetallic compound）對(duì)焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)的可靠性有較大的影響，界面層的金屬間化合物特性脆弱，與母材的熱膨脹系數(shù)、彈性模量存在很大的差異，容易產(chǎn)生裂紋。

圖5 二次共晶后的試驗(yàn)樣品縱切面模型圖

二次共晶后的試驗(yàn)樣品縱切面模型圖如圖5所示，焊料與殼體和鉬銅載片之間的界面反應(yīng)主要是與Au的反應(yīng)，對(duì)于Sn基焊料與Au的反應(yīng)，據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)介紹[2～4]主要為AuSn4和AuSn2的化合物，當(dāng)然，也會(huì)有其他相的生長(zhǎng)，例如，浙江省釬焊材料與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)將InSn49釬料與鍍Au/Ni 的Cu 基焊盤(pán)在140℃時(shí)進(jìn)行釬焊時(shí)發(fā)現(xiàn)因?yàn)锳uIn2的反應(yīng)活化能要比AuSn4和AuSn2高，在相同條件下，Au 更容易和In 反應(yīng)生成AuIn2[5]。

剪切后的焊接斷面焊接斷裂主要有三種斷裂模式，如圖6所示。其中，斷裂模式I是斷裂發(fā)生在焊料/IMC界面處，在焊接斷面上可以觀察到在IMC表面部分殘留著少量的焊料，同時(shí)還伴隨著部分IMC斷裂。這種斷裂方式以脆性斷裂為主，如圖6a所示；斷裂模式II是斷裂發(fā)生在焊料基體處，但是由于焊料基體的強(qiáng)度較低，因此斷面較為平整，如下圖6b所示；斷裂模式III也是斷裂發(fā)生在釬料基體處，但是釬料基體的強(qiáng)度較高，裂紋走過(guò)的路徑較長(zhǎng)，表面粗糙不平，有撕裂的痕跡，如圖6c所示。

a 斷裂模式I b 模式II c 斷裂模式III

對(duì)Sn-52In、In-15Pb-5Ag、Sn-37Pb和Sn-3.5Ag四種焊料二次共晶樣品剪切斷口進(jìn)行SEM觀察，設(shè)備型號(hào)為EVO?MA/LS系列掃描電子顯微鏡。由圖7可以看出，斷裂發(fā)生在焊料基體或焊料基體與IMC界面處，符合斷裂模式I。

a Sn-52In b In-15Pb-5Ag c Sn-37Pb d Sn-3.5Ag

Sn-52In焊料二次共晶樣品剪切斷口SEM圖如圖7 a所示，對(duì)左圖中方框位置放大進(jìn)一步觀察可以得到右上角SEM圖，對(duì)該圖進(jìn)行元素面掃，其元素分布及含量可參看右下角元素能譜圖。

Au重量百分比達(dá)到了5.32%，可見(jiàn)，部分?jǐn)嗔寻l(fā)生在了IMC界面處。而Au元素在斷口左側(cè)區(qū)域中分布較多，而且斷口相對(duì)平滑，這是因?yàn)镮MC顆粒較小，因此在該放大倍數(shù)下，斷口顯得平滑，該處為IMC斷裂處。

由圖7a和圖7b右上角SEM圖可以看出，Sn-52In和In-15Pb-5Ag焊料二次共晶樣品剪切斷口斷裂在焊料基體處的區(qū)域相對(duì)平滑，斷口呈現(xiàn)出穿晶斷裂特征，撕裂棱不明顯，斷裂過(guò)程中裂紋穿過(guò)晶粒進(jìn)行拓展，表現(xiàn)出脆性斷裂傾向。

由圖7c和圖7d右上角SEM圖可以看出，斷裂發(fā)生在焊料基體處的區(qū)域相對(duì)粗糙，撕裂棱相對(duì)明顯，在斷裂過(guò)程中，裂紋走過(guò)的路程較長(zhǎng)，需要的能量更多，因此在剪切過(guò)程中需要的能量要比Sn-52In和In-15Pb-5Ag焊料多，因此剪切力較大。

5 結(jié)束語(yǔ)

Sn-52In為低溫焊料，主要應(yīng)用于溫度敏感器件的SMT，其同系溫度（絕對(duì)工作溫度與絕對(duì)熔點(diǎn)溫度的比值）不低于0.5，在極低溫度下便會(huì)發(fā)生蠕變，導(dǎo)致器件的疲勞破壞，因此不適合于微波電路的封裝工藝。Sn-3.5Ag的二次共晶溫度要大于其熔點(diǎn)溫度，而微波電路中許多器件在芯片共晶前已使用Sn-37Pb焊料進(jìn)行焊接，因此微波電路在二次共晶過(guò)程中其焊點(diǎn)不可避免的會(huì)發(fā)生重熔，最終導(dǎo)致IMC層的增厚，降低可靠性。

而使用Sn-37Pb或In-15Pb-5Ag焊料既可以保證樣品的焊透率，剪切力符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)合理地選擇焊料，其二次共晶使用溫度又不會(huì)導(dǎo)致電路焊點(diǎn)重熔，為二次共晶工藝最佳焊料選擇，可以滿(mǎn)足于不同的梯度焊接需求，為進(jìn)一步提升微波產(chǎn)品的長(zhǎng)期可靠性提供裝配技術(shù)保障。

1 羅紅媛. 多溫度梯度焊接工藝技術(shù)[J]. 電子工藝技術(shù)，2013，3 (34)：167～186

2 李福泉，王春青，杜淼，等. SnPb 釬料與AuNiCu 焊盤(pán)反應(yīng)過(guò)程中Au 的分布[J]. 焊接學(xué)報(bào)，2006，27(1)：53～6

3 Wei Anrong, Wang Chunqing. Evolution of AuSnx intermetallic compounds in laser reflowed micro-solder joints[J]. China Welding, 2011, 20(1): 7～11

4 Liu Wei, Wang Chunqing, Tian Yanhong. Effect of Zn addition in Sn-rich alloys on interfacial reaction with Au foil[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2008, 18(3):17～22

5 趙杰，鐘海峰，劉平，等. SnIn釬料與Au/Ni/Cu釬焊界面金屬間化合物的研究[J]. 焊接，2016(3)：18～21

Study of High Soldering Area Ratio on Second Eutectic Soldering Process of Power Chip

Hao Chengli WangXi Zha Jiahong Shao Mingkun

(Beijing Huahang Radio Measurement and Research Institute, Beijing 100013)

In the present work, the effects of the type of solder on eutectic soldering process were given. The soldering area ratio and shear strength of the samples were tested. The result showed that the soldering area ratio of the samples after eutectic soldering with In-15Pb-5Ag or Sn-37Pb was up to 90%, and the shear strength measured up to the standards of die strength in GJB 548B.

second eutectic soldering；soldering area ratio；shear strength

郝成麗（1991），工程師，電子裝聯(lián)專(zhuān)業(yè)；研究方向：微組裝裝配工藝技術(shù)。

2017-11-20