基于陶瓷基板微系統(tǒng)T/R 組件的焊接技術(shù)研究

王禾，周健，戴嵐，張麗

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，合肥230031；2.東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，南京211189）

1 引言

隨著相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)的發(fā)展，特別是微系統(tǒng)封裝技術(shù)的進(jìn)步、機(jī)電熱一體化設(shè)計(jì)能力的提升及低成本封裝材料的引入[1-2]，微系統(tǒng)封裝設(shè)計(jì)的T/R 組件正在逐步取代傳統(tǒng)磚式微組裝T/R 組件，迅速成為行業(yè)的研究重點(diǎn)。微系統(tǒng)T/R 組件可滿足新一代相控陣天線低剖面、高密度、輕量化的技術(shù)需求[3-5]，天線單位面積內(nèi)的組件密度相較以往增加了10～100 倍，數(shù)量的成倍增加使得T/R 組件的成本在整個雷達(dá)成本中的占比進(jìn)一步提升。因此，研究微系統(tǒng)T/R 組件中核心的微電子焊接技術(shù)，研究如何提高焊接工藝質(zhì)量與可靠性并有效降低成本，將直接影響著新一代相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。

當(dāng)前，微系統(tǒng)T/R 組件雖然經(jīng)歷了數(shù)代發(fā)展，考慮到其可靠性、使用成本等多方面因素，目前其封裝仍然以基于陶瓷基板的T/R 組件三維封裝為主，其需要的微電子焊接封裝技術(shù)主要包括圍框釬焊技術(shù)、焊球/焊柱釬焊技術(shù)、基板與器件釬焊技術(shù)、高密度鍵合技術(shù)及蓋板氣密封焊技術(shù)等。目前國內(nèi)外已發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)集中在對上述單點(diǎn)技術(shù)進(jìn)行研究或概述[6-15]，鮮有文獻(xiàn)針對微系統(tǒng)T/R 組件的微電子焊接技術(shù)需求展開整體論述。

本文針對基于陶瓷基板的微系統(tǒng)T/R 組件，對其封裝和焊接技術(shù)需求進(jìn)行歸納與分析，梳理了相關(guān)焊接技術(shù)的研究現(xiàn)狀，總結(jié)并指出實(shí)現(xiàn)高可靠、低成本焊接封裝的關(guān)鍵技術(shù)，為微電子焊接技術(shù)的發(fā)展提供了一定的技術(shù)參考。

2 陶瓷基板微系統(tǒng)T/R 組件的封裝需求

基于陶瓷基板的微系統(tǒng)T/R 組件結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其中陶瓷基板材料常選取低溫共燒陶瓷或高溫共燒陶瓷，陶瓷基板底部焊點(diǎn)多采用焊球/焊柱，組件內(nèi)部既有平面微組裝也有基板三維堆疊等。T/R 組件因其封裝集成度高，難以完全避免微波芯片等器件的失效，少量的組件在經(jīng)歷環(huán)境試驗(yàn)后需要對其進(jìn)行拆蓋返修，因此多采用可二次封焊的可伐圍框與鐵鎳合金蓋板進(jìn)行封裝。在現(xiàn)有技術(shù)條件下，微波器件常用的鈦合金、鋁硅等輕量化外殼暫不適用于基于陶瓷基板的微系統(tǒng)T/R 組件封裝。

圖1 基于陶瓷基板的微系統(tǒng)T/R 組件結(jié)構(gòu)

在基于陶瓷基板的微系統(tǒng)T/R 組件中，主要應(yīng)用的微電子焊接技術(shù)有：1）將圍框封裝在陶瓷基板上的釬焊技術(shù)；2）在陶瓷基板上植球/植柱的回流焊技術(shù)；3）針對T/R 組件內(nèi)部的電路基板、環(huán)行器、表貼器件、堆疊基板等位置的回流焊技術(shù)；4）為解決T/R 組件空間有限問題引入的高密度引線鍵合技術(shù)；5）蓋板與圍框之間的封焊技術(shù)。

本文將重點(diǎn)闡述上述5 個應(yīng)用于微系統(tǒng)T/R 組件的微電子焊接關(guān)鍵技術(shù)，分析新技術(shù)路線下T/R 組件與傳統(tǒng)平面微組裝T/R 組件對技術(shù)需求的差異，并結(jié)合具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入分析，給出現(xiàn)階段滿足高可靠封裝需求的最優(yōu)工藝方法，進(jìn)一步指導(dǎo)微系統(tǒng)T/R 組件的低成本封裝工藝設(shè)計(jì)。

3 陶瓷基板微系統(tǒng)T/R 組件焊接關(guān)鍵技術(shù)

3.1 圍框釬焊技術(shù)

基于陶瓷基板的微系統(tǒng)T/R 組件，其圍框多采用可伐材料，圍框與基板的封裝結(jié)構(gòu)如圖2 所示。為了拉開溫度梯度，業(yè)內(nèi)普遍對可伐圍框與基板的焊接面進(jìn)行鍍Ni 處理。采用活性的Ag-Cu(-Ti)釬料對陶瓷/可伐接頭進(jìn)行真空硬釬焊，其最低接頭強(qiáng)度約為30 MPa，最高強(qiáng)度為144 MPa，陶瓷-釬料-可伐的金相組織如圖3 所示，釬焊接頭的界面組織均勻一致，其氣密檢測可以實(shí)現(xiàn)小于1×10-8Pa·m3/s 的漏率。部分從業(yè)人員在可伐圍框與基板的焊接面鍍Ni/Au，采用Au-Ge、Au-Ga、Au-Si、Au-Ag-Si、Au-Sn、Pb90-Sn 等 軟釬料對其進(jìn)行真空軟釬焊（共晶爐，無助焊劑）或真空回流焊（有助焊劑）[23-24]。值得注意的是，為了提高焊接質(zhì)量，在真空軟/硬釬焊過程中，以往關(guān)注的重點(diǎn)是焊接溫度、真空制程等參數(shù)，然而通過近年來對失效案例的分析發(fā)現(xiàn)，由于鍍層質(zhì)量差、鍍Ni 層或鍍Ni/Au層的局部區(qū)域受熱起泡、鍍層顏色異常等導(dǎo)致焊接失效的情況越來越多，需要對測試方法與鍍層控制工藝進(jìn)行整合并優(yōu)化[25-26]。陶瓷基板鍍層起泡現(xiàn)象如圖4 所示。而采用真空回流焊的方法釬焊圍框，除了要控制回流溫度，建議優(yōu)選李建輝等[27]提出的方法，在基板金屬化層上制作阻焊網(wǎng)格線，使之成為焊接時揮發(fā)氣體的逸出通道，便于排出助焊劑殘留物與氣泡，避免因表面張力差異導(dǎo)致的釬料溢出污染。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可使器件的總體釬透率由70%提升至85%，單個最大空洞面積在釬焊區(qū)域面積的占比由大于10%減少到小于5%。

圖2 圍框與基板的封裝結(jié)構(gòu)

圖3 陶瓷-釬料-可伐的金相組織

圖4 陶瓷基板鍍層起泡現(xiàn)象

由于Ag 基硬釬料、Au 基軟釬料的價格過于昂貴，應(yīng)用于氣密封裝場合會增加T/R 組件的成本。同時，由于常溫已經(jīng)達(dá)到了軟釬料再結(jié)晶溫度Tr[Tr=(0.45～0.6)Tm，Tm為固相線溫度][28]，且釬焊密封面與外界環(huán)境直接接觸，非共晶成分軟釬料（如Pb-Sn 等）的釬焊面相對更容易蠕變失效及在釬焊界面形成柯肯達(dá)爾空洞，導(dǎo)致在后續(xù)加嚴(yán)環(huán)境試驗(yàn)考核中易出現(xiàn)氣密失效的現(xiàn)象，因此除在航空航天、軍工電子芯片封帽等應(yīng)用場合仍選擇使用Ag 基或Au 基釬料外，類似需要使用金屬圍框釬焊的場合建議優(yōu)選Cu-Sn-Ti 合金釬料[29-30]，其接頭強(qiáng)度約為42 MPa，釬透率與氣密性均滿足使用需求。使用Cu-Sn-Ti 合金釬料既能大幅降低材料成本（以實(shí)時價格計(jì)算，價格約為Ag 基釬料的1/50、Au 基釬料的1/4 500），又能有效規(guī)避非共晶成分軟釬料蠕變失效的風(fēng)險。

3.2 焊球/焊柱釬焊技術(shù)

在陶瓷基板的底部需使用焊球/焊柱將信號輸入/輸出，考慮板級表面組裝技術(shù)（SMT）整體工藝及拉開溫度梯度的需求，須預(yù)留一個低溫釬焊窗口。從封裝可靠性角度出發(fā)，目前植球/植柱普遍采用熔點(diǎn)為183 ℃的Sn63Pb37 釬料。根據(jù)IPC-7095D 標(biāo)準(zhǔn)及美軍標(biāo)相關(guān)要求，采用焊球封裝的高可靠T/R 組件的尺寸一般需小于15 mm×15 mm，采用焊柱封裝的高可靠T/R 組件的尺寸需小于52.5 mm×52.5 mm，且由于陶瓷基板與電裝電路板之間存在熱失配，為了進(jìn)一步提高焊球/焊柱的使用壽命，推薦采用金屬基（如Cu）增強(qiáng)的材料[31]。陶瓷基板背面植球/植柱實(shí)物如圖5 所示。

圖5 陶瓷基板背面植球/植柱實(shí)物

由于微系統(tǒng)T/R 組件對控制重量有較高要求，目前除銅絲纏繞焊柱外，其他的金屬基增強(qiáng)焊球/焊柱因?yàn)楸旧硪壮?，其在T/R 組件中的推廣應(yīng)用仍然受限。為了緩釋陶瓷基板與電裝基板之間的應(yīng)力，減少因邊角翹曲造成的焊點(diǎn)失效，一方面需嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的尺寸限制T/R 組件的尺寸；另一方面需對焊球采用底部填充膠粘、邊角綁定膠粘等加固工藝[32-33]。根據(jù)梅聰?shù)萚34]的研究結(jié)果，在－55～125 ℃的試驗(yàn)條件下，有底部填充保護(hù)的焊球的焊點(diǎn)壽命約為1 350 個循環(huán)，比無底部填充保護(hù)的焊球的焊點(diǎn)壽命提升了2 倍。針對焊柱也擴(kuò)展出了銅絲纏繞疊加局部底部填充膠粘的雙重加固抗應(yīng)力工藝[35]，可以將殘余應(yīng)力減少70%以上，提升焊點(diǎn)的可靠性。

依賴膠填充的工藝方式會使得被膠填充的封裝面無法進(jìn)行返修，行業(yè)工作者已關(guān)注到焊球/焊柱的焊點(diǎn)返修難的問題并進(jìn)行了深入研究，研發(fā)出一種自防護(hù)Sn-Pb 環(huán)氧樹脂復(fù)合焊膏[36-37]，使用該焊膏的焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖6 所示。采用該環(huán)氧樹脂復(fù)合焊膏的焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度為54.51 MPa，比使用傳統(tǒng)焊膏的剪切強(qiáng)度高出了36.3%，且經(jīng)過300 次溫沖后使用傳統(tǒng)焊膏和復(fù)合焊膏的焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度分別下降了21.2%與13.4%。因復(fù)合焊膏的樹脂層較薄且僅覆蓋在焊點(diǎn)表面，其既能加強(qiáng)焊點(diǎn)的應(yīng)力防護(hù)，同時也方便對封裝面進(jìn)行多次返修。

圖6 使用Sn-Pb 環(huán)氧樹脂復(fù)合焊膏的焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)

3.3 基板與器件釬焊技術(shù)

在新技術(shù)路線下，由于板級SMT 工藝主要使用熔點(diǎn)為183 ℃的Sn63Pb37 釬料，且芯片共晶、環(huán)行器微機(jī)械加工及圍框釬焊等工藝主要使用熔點(diǎn)為280 ℃的Au80Sn20 釬料，導(dǎo)致T/R 組件內(nèi)部的一些元器件、電路基板及環(huán)行器的釬焊必須采用熔點(diǎn)為210～250 ℃的含Pb 釬料（參考NASA 采用的IPC J-STD-001DS標(biāo)準(zhǔn)，補(bǔ)充要求中規(guī)定釬料中Pb 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于3%）。無鉛錫銀銅（SAC）釬料與Sn63Pb37 釬料的熔點(diǎn)相差30 ℃，可以滿足焊接溫度要求，但因其極易產(chǎn)生錫須短路，會造成大量電子元器件及精密儀器的損壞，錫須生長引起電子產(chǎn)品短路如圖7 所示。軍用飛機(jī)、民航客機(jī)以及軍/民用衛(wèi)星等，均有因?yàn)殄a須短路引發(fā)故障的記錄。目前關(guān)于錫須的生長機(jī)制爭議較大，普遍認(rèn)可的有位錯機(jī)制、再結(jié)晶機(jī)制、氧化層破裂機(jī)制、壓應(yīng)力機(jī)制、活性錫原子機(jī)制5 種，建議慎重選擇尚未完全清楚機(jī)理的材料用于T/R 組件等產(chǎn)品的高可靠封裝。

圖7 錫須生長引起電子產(chǎn)品短路

面對軟釬料需求的缺口，行業(yè)工作者首先嘗試使用熔點(diǎn)為210～240 ℃的Pb-In 釬料，其優(yōu)點(diǎn)是兩種元素與Au 元素之間均不會反應(yīng)，沒有硬脆的Au 基化合物產(chǎn)生，后續(xù)無須進(jìn)行去金處理，缺點(diǎn)是在環(huán)境試驗(yàn)過程中In 元素會與鍍層發(fā)生反應(yīng)，侵蝕過度造成焊接失效，環(huán)境試驗(yàn)后Pb-In 焊點(diǎn)的形貌如圖8 所示。環(huán)境試驗(yàn)后Pb-In 焊點(diǎn)的剪切強(qiáng)度普遍小于5 MPa，強(qiáng)度較低難以滿足使用需求。北京有色金屬與稀土應(yīng)用研究所[44]公開了一種Pb-Sn-Sb-Ag 釬料，其熔點(diǎn)為235～245 ℃，該釬料的優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度高且可設(shè)置與LED、汽車等消費(fèi)電子行業(yè)使用的Sn-Sb 無鉛軟釬料通用的回流焊溫度，缺點(diǎn)是Pb-Sn-Sb-Ag 合金存在低熔點(diǎn)相[45]，Pb-Sn-Sb-Ag 合金的顯微組織及差式掃描量熱分析（DSC） 曲線如圖9 所示。低熔點(diǎn)相的存在導(dǎo)致Sn63Pb37 釬料在210 ℃的回流焊溫度下發(fā)生軟化，此時接頭強(qiáng)度不大于1 N，導(dǎo)致器件因爐中鏈條的振動而跌落。本文結(jié)合工程實(shí)踐并聯(lián)合北京康普錫威科技有限公司與北京有色金屬與稀土應(yīng)用研究所等單位提出了優(yōu)化合金成分的方法，制備改性的Pb-Sn-Sb-Ag 釬料，消除了低熔點(diǎn)相，實(shí)現(xiàn)了Pb-Sn-Sb-Ag 釬料的焊點(diǎn)在210 ℃時仍具備足夠強(qiáng)度，該新型焊料具備作為微系統(tǒng)封裝用軟釬料的潛力。

圖8 環(huán)境試驗(yàn)后Pb-In 焊點(diǎn)的形貌

圖9 Pb-Sn-Sb-Ag 合金的顯微組織及差式掃描量熱分析（DSC）曲線

從降低成本的角度出發(fā)，除了將改性的Pb-Sn-Sb-Ag 合金作為微系統(tǒng)封裝用軟釬料，另外兩個研究方向是張富文等[46]在SAC 釬料中添加抑制錫須生長的元素，以確保釬料在T/R 組件壽命時間內(nèi)不產(chǎn)生錫須，或者是針對Sn-Pb 軟釬料進(jìn)行改性，實(shí)現(xiàn)低溫焊接高溫使用，可在210 ℃時進(jìn)行兩次回流。

3.4 高密度鍵合技術(shù)

鍵合是微電子焊接中最為重要的工藝之一，也是T/R 組件封裝的關(guān)鍵工序。目前在T/R 組件中仍有90%以上的芯片采用金絲鍵合技術(shù)實(shí)現(xiàn)電氣互連。在高密度微系統(tǒng)T/R 組件中，芯片鍵合焊盤的尺寸由100～150 μm 減小至50～70 μm，且由于組件高度的限制，鍵合弧度需相應(yīng)變小。采用傳統(tǒng)鍵合工藝的微系統(tǒng)T/R 組件，其金絲的寄生電感效應(yīng)、電流趨膚效應(yīng)也更為顯著，導(dǎo)致T/R 組件的電性能嚴(yán)重惡化。因此，業(yè)內(nèi)研發(fā)出細(xì)間距金絲鍵合工藝和低弧鍵合工藝。細(xì)間距金絲鍵合的效果如圖10 所示，井津域等[47]針對20 μm 的金絲進(jìn)行鍵合，優(yōu)化參數(shù)后可實(shí)現(xiàn)拉力大于0.10 N。行業(yè)工作者目前已完成了15 μm 金絲鍵合的工藝試制，其關(guān)鍵點(diǎn)在于對鍵合參數(shù)的精確控制以及對劈刀的優(yōu)化選型。普通弧形鍵合金絲與低弧鍵合金絲如圖11 所示，張平升等[48]依據(jù)低弧成絲過程中的參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了短跨距（長度為300 μm）、超低弧高（高度為80 μm）的鍵合，并指出該工藝的關(guān)鍵步驟為控制劈刀運(yùn)動軌跡。由于受金絲與劈刀材質(zhì)的限制，對鍵合工藝技術(shù)的低成本化研究較少，仍有待業(yè)內(nèi)工作者進(jìn)行進(jìn)一步研究。

圖10 細(xì)間距金絲鍵合的效果

圖11 普通弧形鍵合金絲與低弧鍵合金絲

3.5 蓋板氣密封焊技術(shù)

蓋板氣密封焊同樣是微系統(tǒng)T/R 組件封裝的關(guān)鍵工序，由于T/R 組件的圍框材料多為可伐合金，因此對應(yīng)的蓋板材料需設(shè)計(jì)為鐵鎳合金，工藝多選取平行縫焊技術(shù)，圖12 為平行縫焊工藝示意圖。張加波等[49-50]研究表明，平行縫焊工藝實(shí)現(xiàn)氣密封蓋的本質(zhì)是實(shí)現(xiàn)鍍層熔化焊接。通過優(yōu)化工藝參數(shù)，如控制脈沖寬度由10 ms 降低到8 ms、提高電極輪角度由10°到15°等，能夠得到厚度為殼壁厚度0.4～0.6 倍的焊縫區(qū)并減少鎳金多余物的產(chǎn)生，避免組件在顆粒噪聲測試與氣密測試中發(fā)生失效。理想焊縫區(qū)如圖13 所示。張瀟等[15]闡明了微系統(tǒng)封裝對于平行縫焊技術(shù)的迫切需求，并給出了焊縫整齊平整且質(zhì)量一致性高的推薦工藝參數(shù)。同樣受限于材質(zhì)及鍍層的選取，對降低相關(guān)平行縫焊技術(shù)成本的研究也較為鮮見。

圖12 平行縫焊工藝示意圖

圖13 理想焊縫區(qū)（0.4～0.6 倍殼壁厚度）

對于蓋板的氣密封焊而言，由焊接質(zhì)量缺陷（如漏焊等）導(dǎo)致的微系統(tǒng)T/R 組件產(chǎn)品氣密失效可以通過拆蓋重新封焊等返修技術(shù)進(jìn)行彌補(bǔ)。然而在實(shí)際生產(chǎn)中，本研究觀察到存在著一種因陶瓷基體破裂導(dǎo)致產(chǎn)品漏氣失效的現(xiàn)象，這種失效難以在圍框釬焊、蓋板氣密封焊兩道工序的氣密檢測中被篩選出來。雖然陶瓷受力強(qiáng)度約為350 MPa，但是陶瓷的化學(xué)鍵具有方向性，因此陶瓷材料的塑性較差，其能夠承受的拉應(yīng)力遠(yuǎn)小于壓應(yīng)力。陶瓷受到拉應(yīng)力時，微小的裂紋也會導(dǎo)致很大的應(yīng)力集中，進(jìn)而造成貫穿性斷裂。因此，圍框釬焊、基板與器件焊接、蓋板氣密封焊及工裝裝夾等工藝會使陶瓷內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力累積，同時T/R 組件在后續(xù)環(huán)境試驗(yàn)中經(jīng)受反復(fù)的應(yīng)力循環(huán)，兩者均是造成失效的要因。這也與袁爾千等[51]的研究結(jié)果一致，建議應(yīng)嚴(yán)格把控陶瓷燒結(jié)的質(zhì)量，并從源頭避免易出現(xiàn)應(yīng)力集中的相關(guān)設(shè)計(jì)。

4 結(jié)束語

本文總結(jié)了基于陶瓷基板的微系統(tǒng)T/R 組件對微電子焊接技術(shù)的需求，介紹了圍框釬焊、焊球/焊柱釬焊、基板與器件釬焊、高密度鍵合及蓋板氣密封焊等關(guān)鍵技術(shù)，得出結(jié)論如下：

1）新技術(shù)路線下T/R 組件的圍框釬焊優(yōu)選使用Cu-Sn-Ti 釬料，其接頭強(qiáng)度約為42 MPa，既能滿足使用需求，且其使用成本相較于Ag 基、Au 基釬料大大降低；

2）為了減少熱失配應(yīng)力對焊點(diǎn)的影響，采用焊球封裝多選用底部填充膠粘、邊角綁定膠粘等加固工藝，采用焊柱封裝多采用銅絲纏繞疊加局部底部填充膠粘的雙重加固工藝，該方案的缺點(diǎn)是無法對被膠填充的封裝面進(jìn)行返修，使用新型的焊后自防護(hù)環(huán)氧焊膏可在實(shí)現(xiàn)防護(hù)的同時實(shí)現(xiàn)對組件的數(shù)次返修；

3）基板與器件釬焊急需一種熔點(diǎn)為210～250 ℃的含Pb 釬料用于提高回流焊的溫度梯度，采用熔點(diǎn)為235～245 ℃的改性Pb-Sn-Sb-Ag 釬料消除了低熔點(diǎn)相，該改性釬料已經(jīng)具備了作為微系統(tǒng)封裝用軟釬料的巨大市場潛力；

4）受限于微系統(tǒng)T/R 組件的尺寸，必須發(fā)展高密度鍵合技術(shù)，目前已實(shí)現(xiàn)20 μm 金絲的細(xì)間距金絲鍵合以及短跨距、超低弧度的低弧鍵合；

5）蓋板氣密封焊主要采用平行縫焊技術(shù)，通過優(yōu)化工藝參數(shù)，如控制脈沖寬度由10 ms 降低到8 ms、提高電極輪角度由10°到15°等，得到理想的焊縫區(qū)，然而存在一種難以進(jìn)行檢測和篩選的因陶瓷基體破裂而導(dǎo)致的產(chǎn)品漏氣失效現(xiàn)象，需重點(diǎn)關(guān)注并進(jìn)一步研究。