真空共晶焊接金屬電極片變色問題改善工藝研究

吳文輝，吳明釗，蔡約軒，王凱星，陳膺璽

（福建火炬電子科技股份有限公司，福建泉州 362300）

1 引言

近幾年來，隨著多芯片產(chǎn)品的小型化和多樣化，越來越多的產(chǎn)品需要使用共晶焊接來實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。與回流焊焊接技術(shù)相比，真空共晶焊接技術(shù)能夠有效地解決低空洞率焊接問題，被廣泛應(yīng)用于混合集成電路領(lǐng)域、毫米波高頻和大功率微波器件中[1-2]。

2 共晶焊接的原理

共晶焊接是微電子組裝中一種重要的焊接工藝，又稱為低熔點(diǎn)合金焊接，它是指在相對較低的溫度下共晶焊料發(fā)生共晶物熔合的現(xiàn)象，共晶合金直接從固態(tài)轉(zhuǎn)變成液態(tài)，而不經(jīng)過塑性階段。真空共晶焊接是利用真空共晶爐的共晶技術(shù)，并有效控制爐內(nèi)氣氛，大致通過抽真空、充氣、預(yù)熱、升溫、排氣、降溫和進(jìn)氣等過程，設(shè)置出相應(yīng)的溫度、真空度與時(shí)間的控制曲線，實(shí)現(xiàn)芯片與金屬電極片共晶焊接的過程[3-6]。

3 試驗(yàn)方法與過程

文章采用陶瓷介質(zhì)電容器（MLCC）、Sn5Pb92.5 Ag2.5 高鉛焊料和鐵鎳合金金屬電極片制作無包封金屬支架電容器進(jìn)行試驗(yàn)。在真空共晶焊接過程中，針對不同溫度時(shí)段對真空共晶爐的真空度和氣氛進(jìn)行控制，通過樣件的檢測觀察金屬電極片的變色情況，分析不同的爐腔真空度和氣氛對金屬電極片變色的影響，并在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，同時(shí)獲得低空洞率的產(chǎn)品。

3.1 試驗(yàn)方法

3.1.1 試驗(yàn)流程

制作工藝流程如圖1 所示。

圖1 制作工藝流程

3.1.2 試驗(yàn)設(shè)備與工具

試驗(yàn)設(shè)備與工具包括KD-V43 真空共晶爐、超聲波清洗機(jī)、鋁合金夾具、體式顯微鏡、鑷子、X-ray 檢測儀。

3.2 試驗(yàn)過程

3.2.1 焊料TG-DTA 綜合熱分析

采用TG-DTA 綜合測試儀，測試氣氛為氮?dú)?；升溫速率?0 ℃/min。圖2 示出了焊料的綜合熱曲線，它包括加熱曲線、差熱曲線和熱重曲線。根據(jù)綜合熱分析曲線可知，焊料在整個(gè)升溫過程均處于吸熱狀態(tài)，第一個(gè)吸熱峰從室溫開始發(fā)生至80 ℃達(dá)到峰值，TG 曲線上對應(yīng)這一過程質(zhì)量無明顯損失。圖中130~220 ℃之間DTA 曲線呈現(xiàn)上升狀態(tài)，與此同時(shí)，TG 曲線顯示焊料在吸熱的同時(shí)快速失重，主要發(fā)生在焊料中的水分、助焊劑和溶劑中的有機(jī)物排除過程，因此在制定焊接曲線時(shí)，升溫速率要緩慢或需進(jìn)行一定時(shí)間的保溫，保證水分、氣體的有效排除。第二個(gè)吸熱峰出現(xiàn)在285 ℃至319 ℃達(dá)到峰值，該區(qū)間焊料中的焊錫鉛粉顆粒開始融化形成Sn-Pb 共晶化合物。

圖2 焊料TG-DAT 綜合熱分析曲線

3.2.2 焊料焊接工藝曲線設(shè)定

根據(jù)焊料TG-DTA 綜合熱分析曲線設(shè)定焊料的焊接工藝曲線，考慮到工裝治具的吸熱量問題，另外，在業(yè)內(nèi)普遍公認(rèn)焊接應(yīng)在高于焊料熔化溫度至少30 ℃的峰值溫度下進(jìn)行，以優(yōu)化潤濕性能和達(dá)到良好的焊點(diǎn)質(zhì)量[7]，工藝曲線見圖3。

圖3 焊料焊接工藝曲線

3.2.3 溫度曲線的確定

根據(jù)焊料焊接工藝曲線進(jìn)行共晶爐曲線設(shè)置，在前期經(jīng)過抽真空降低爐腔內(nèi)的氧分壓。然后充入氮?dú)?，使共晶焊接試?yàn)時(shí)爐腔全程保持標(biāo)準(zhǔn)大氣壓及氮?dú)獗Ｗo(hù)氣氛。焊接溫度曲線如圖4 所示。在該溫度曲線下，焊料熔化充分且色澤光亮。在體式顯微鏡下觀察金屬電極片，發(fā)現(xiàn)有變色現(xiàn)象，如圖5 所示。為確認(rèn)變色物質(zhì)成分，經(jīng)掃描電鏡分析（SEM）和能譜分析（EDS），該變色物質(zhì)含有 C、O 元素，見圖 6。經(jīng) X 射線拍照，發(fā)現(xiàn)焊料的空洞率達(dá)到20%左右，見圖7。

圖4 全程氮?dú)獗Ｗo(hù)共晶焊接曲線

圖5 顯微鏡下焊點(diǎn)及金屬電極片外觀檢測圖

為確認(rèn)金屬電極片變色的影響，挑選5 只金屬電極片上存在變色的樣品TM1-1 和5 只金屬電極片上光亮的樣品TM2-1 進(jìn)行可焊性對比。采用BD-110RA鈦合金熔錫爐，根據(jù)GJB 360B-2009[8]方法208 的規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)，采用焊槽法，溫度 245 ℃±2 ℃，保持 5 s，試驗(yàn)前應(yīng)將樣品懸掛于距離沸騰的蒸餾水或去離子水上面38~64 mm 處，并暴露于水蒸氣中1 h 進(jìn)行蒸汽老化處理。試驗(yàn)結(jié)果如表1 所示，金屬電極片存在變色現(xiàn)象的樣品，潤濕能力差，出現(xiàn)局部的拒焊現(xiàn)象。

圖6 金屬電極片上黃色物質(zhì)SEM 分析圖

圖7 X-ray 測試焊點(diǎn)空洞率圖

表1 可焊性試驗(yàn)對比結(jié)果

另外，挑選5 只金屬電極片上存在變色的樣品TM1-2 和5 只金屬電極片上光亮的樣品TM2-2 進(jìn)行剪切強(qiáng)度對比。電容器先安裝在基板上，基板材料選用1.6 mm±0.2 mm 厚的環(huán)氧編制玻璃纖維覆銅層壓板（按 IEC 61249-2-7，2002IEC-EP-GC-Cu）[9]，焊料選用Sn62Pb36Ag2，安裝完成后，采用SN-100 指針式推拉力計(jì)，根據(jù)GJB 548B-2005[10]方法2019.2 的規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)，見圖8。試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示，金屬電極片存在變色現(xiàn)象的樣品，因?yàn)闈櫇衲芰Σ睿瑢?dǎo)致焊接不良，造成抗剪切能力下降。

圖8 剪切強(qiáng)度試驗(yàn)示意圖

表2 剪切強(qiáng)度對比結(jié)果

3.2.4 全程真空環(huán)境

根據(jù)圖4 的溫度-時(shí)間曲線，爐腔內(nèi)保持真空狀態(tài)，工藝曲線見圖9。在該曲線下，焊料熔化不充分，出現(xiàn)“褶皺”、“土丘鼓包”狀和暗啞無光澤狀態(tài)，見圖10。造成該現(xiàn)象的原因?yàn)樵谡婵諣顟B(tài)下導(dǎo)熱媒介減少，產(chǎn)品焊接熱量通過設(shè)備底板導(dǎo)熱和熱輻射傳導(dǎo)，熱傳導(dǎo)效率低，實(shí)際焊接溫度低。經(jīng)X 射線拍照，發(fā)現(xiàn)焊料的空洞率達(dá)到3%左右，見圖11。

圖9 全程真空環(huán)境共晶焊接曲線

3.2.5 共晶保溫階段增加抽取真空

考慮到全氮?dú)猸h(huán)境下，由于焊料中的揮發(fā)物在爐腔內(nèi)附著在金屬電極片上，導(dǎo)致金屬電極片出現(xiàn)變色的現(xiàn)象。另外，在全真空環(huán)境下，焊料熔化不完全，故在焊料共晶保溫階段增加抽取真空動(dòng)作，抽掉助焊劑揮發(fā)物和共晶階段焊料熔化后產(chǎn)生的揮發(fā)氣體，工藝曲線見圖12。試驗(yàn)結(jié)果見圖13，焊點(diǎn)光亮且呈金屬光澤，金屬電極片變色現(xiàn)象減輕。這表明在共晶保溫階段增加抽取真空動(dòng)作可以在一定程度上改善金屬電極片變色現(xiàn)象，但在共晶保溫階段再來排除爐腔內(nèi)揮發(fā)氣體動(dòng)作已經(jīng)滯后，且在X-ray 設(shè)備檢測下仍存在一定空洞，其空洞率約為8%左右，見圖14。

圖10 全程真空環(huán)境下焊點(diǎn)狀態(tài)

圖11 全程真空環(huán)境下X-Ray 測試焊點(diǎn)空洞率圖

圖12 共晶保溫階段增加抽取真空的焊接曲線

圖13 共晶保溫階段增加抽取真空狀態(tài)下金屬電極片及焊點(diǎn)狀態(tài)

圖14 共晶保溫階段增加抽取真空后X-ray測試焊點(diǎn)空洞率圖

3.2.6 預(yù)熱階段和共晶保溫階段增加抽取真空

為了避免焊料預(yù)熱階段產(chǎn)生的揮發(fā)氣體對金屬電極片進(jìn)行侵蝕，故在3.2.5 節(jié)的基礎(chǔ)上，在預(yù)熱階段（200 ℃左右）增加抽取真空動(dòng)作，先抽掉焊料前期排出的揮發(fā)氣體，工藝曲線見圖15。試驗(yàn)結(jié)果見圖16，焊料熔化充分完全、色澤光亮，且金屬電極片呈現(xiàn)金屬光澤，未發(fā)現(xiàn)變色現(xiàn)象。在X-ray 設(shè)備檢測下空洞非常小，其空洞率約為3%左右，見圖17。

圖15 預(yù)熱階段和共晶保溫階段增加抽取真空

圖16 預(yù)熱階段和共晶保溫階段增加抽取真空下金屬電極片及焊點(diǎn)狀態(tài)

圖17 預(yù)熱階段和共晶保溫階段增加抽取真空下X-ray 測試焊點(diǎn)空洞率圖

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 試驗(yàn)結(jié)果

將上述試驗(yàn)匯總，見表3。

表3 試驗(yàn)結(jié)果

通過以上多個(gè)試驗(yàn)的檢測結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，全程氮?dú)膺^程中金屬電極片變色發(fā)黃現(xiàn)象嚴(yán)重，空洞率大，主要是由于焊接過程焊料中產(chǎn)生的大量揮發(fā)氣體充斥整個(gè)爐腔和焊料中無法排出造成的。全程真空環(huán)境下，導(dǎo)熱媒介減少，產(chǎn)品焊接溫度是通過設(shè)備底板導(dǎo)熱和熱輻射傳導(dǎo)熱量，熱傳導(dǎo)效率低，實(shí)際焊接溫度低。當(dāng)焊接過程中通過抽取真空、降低爐腔的氧分壓以及有效排出焊接過程產(chǎn)生的揮發(fā)氣體時(shí)，可以有效減少或解決金屬電極片變色問題，且空洞率達(dá)到3%左右。

4.2 試驗(yàn)分析

4.2.1 空洞的產(chǎn)生機(jī)理

預(yù)熱階段和共晶階段，焊料中的溶劑（如助焊劑、活性劑、抗垂流劑等）受熱會(huì)揮發(fā)釋放大量的氣體，同時(shí)，金屬電極片、芯片、焊料中金屬顆粒等表面的氧化物與助焊劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)也會(huì)產(chǎn)生氣體，當(dāng)液態(tài)錫鉛中氣泡的浮力大于流動(dòng)阻力時(shí)，這些氣體部分會(huì)揮發(fā)而脫離錫膏；反之，部分會(huì)殘留在熔融液態(tài)錫鉛中，被包裹在液態(tài)錫鉛中的氣體僅靠上浮力很難逃逸到液態(tài)錫鉛表面，加上共晶回流時(shí)間短暫，當(dāng)液態(tài)錫鉛降溫冷卻固化成固態(tài)時(shí)，殘留在固態(tài)錫鉛中的氣體就變成了空洞。因此要使氣泡能從焊料中排出，必須增加焊料中氣泡的浮力，減小焊料的流動(dòng)阻力。當(dāng)真空共晶回流環(huán)境的氣體壓強(qiáng)小于焊料內(nèi)部產(chǎn)生的氣體壓強(qiáng)時(shí)，氣泡就會(huì)有足夠的動(dòng)力逃逸出熔融的液態(tài)錫鉛[2,11]，故試驗(yàn)過程中有抽真空動(dòng)作的產(chǎn)品空洞率會(huì)比全程氮?dú)猸h(huán)境的空洞率小。

4.2.2 揮發(fā)氣體導(dǎo)致變色

在真空共晶焊接過程中，焊料中的溶劑產(chǎn)生大量氣體，以及氧化物與助焊劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氣體。另外，在共晶階段，焊料中剩余的助焊劑會(huì)快速揮發(fā)形成氣體。這些氣體和助焊劑的揮發(fā)會(huì)污染整個(gè)真空焊接腔體內(nèi)部，導(dǎo)致金屬電極片發(fā)生變色，表現(xiàn)為熏黑、發(fā)黃現(xiàn)象。

所以，避免金屬電極片變色問題的關(guān)鍵是首先盡量不要產(chǎn)生氣體，其次一旦產(chǎn)生氣體要有渠道讓其排出。市面上大部分預(yù)制焊片中均不含助焊劑，共晶焊接過程幾乎沒有揮發(fā)氣體產(chǎn)生，可有效解決電極片變色問題。但預(yù)制焊片需要專門的工裝治具和還原性氣氛來輔助生產(chǎn)。常見的還原性氣氛有甲酸（HCOOH）、N2和H2的混合氣體，兩者均具有比較強(qiáng)的還原能力，可以對氧化物進(jìn)行去除，以達(dá)到芯片與焊料、金屬電極片的浸潤狀態(tài)。HCOOH 和金屬氧化物的反應(yīng)溫度低于200 ℃，形成甲酸金屬鹽和水，在200 ℃以上甲酸金屬鹽分解成金屬和H2O、CO2，因此HCOOH 適合低熔點(diǎn)的合金體系。文章選用的是Sn5Pb92.5Ag2.5 高鉛焊料，熔點(diǎn)為287~296 ℃，因此HCOOH 體系并不適合。H2的還原反應(yīng)需要在高溫（250 ℃）環(huán)境下進(jìn)行，H2在常壓下易燃，當(dāng)空氣中H2含量達(dá)到4.0%~75.6%（體積濃度）時(shí)會(huì)發(fā)生爆炸。綜合考慮，故把解決的重點(diǎn)放在如何讓共晶焊接過程產(chǎn)生的氣體快速排出。

4.2.3 氧化導(dǎo)致變色

金屬電極片在高溫和有氧的環(huán)境下易氧化，產(chǎn)生變色。金屬的氧化反應(yīng)可以表達(dá)為：

所以，避免金屬電極片變色（氧化）問題的關(guān)鍵是盡量在低氧或無氧環(huán)境中進(jìn)行共晶焊接。

真空度和氣氛是影響氧含量的一個(gè)重要因素。在共晶焊接中，如果加大真空度就會(huì)降低爐腔內(nèi)的氧含量，但也會(huì)導(dǎo)致在加熱過程中導(dǎo)熱媒介變少，造成共晶焊料達(dá)到熔點(diǎn)但是沒有熔化的現(xiàn)象，且會(huì)加大設(shè)備功耗和延長工藝生產(chǎn)周期。

真空共晶系統(tǒng)一般都具有向真空爐腔內(nèi)充入氣體的功能。常用的氣體有N2、H2或N2和H2的混合氣體、HCOOH 等。H2和 HCOOH 在上一節(jié)有論述，此處不再贅述。對焊接空洞要求不高的器件，可以使用氮?dú)膺M(jìn)行保護(hù)焊，通過對真空共晶爐進(jìn)行先抽真空后充氮?dú)獾膭?dòng)作，循環(huán)幾次后，可以使腔體內(nèi)的氧含量達(dá)到10-6級。

4.2.4 金屬電極片變色產(chǎn)生的危害

金屬電極片由于助焊劑等揮發(fā)氣體侵蝕和氧化導(dǎo)致變色，造成錫焊時(shí)潤濕能力差，在可焊性試驗(yàn)過程中表現(xiàn)為拒焊或不潤濕，在剪切強(qiáng)度試驗(yàn)過程中表現(xiàn)為抗剪切能力下降。

5 結(jié)論

真空共晶焊接過程中，焊料中的揮發(fā)物是導(dǎo)致金屬電極片變色的主要原因。金屬電極發(fā)生變色的位置上錫困難，會(huì)造成抗剪切能力下降。要減少或解決變色問題，關(guān)鍵是減少爐腔內(nèi)揮發(fā)物的含量，把揮發(fā)物從爐腔內(nèi)排除出去。從焊料的TG-DTA 熱綜合分析曲線可以發(fā)現(xiàn)在預(yù)熱階段（130~220 ℃）和共晶階段（285~319 ℃）均有大量氣體排出，而共晶焊接過程通過在這2 個(gè)階段增加抽取真空動(dòng)作，把有害氣體排出爐腔，就可以有效解決金屬電極片變色現(xiàn)象，減少不利影響。