張建宏，王 寧，楊凱駿，井文麗

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西太原030024)

真空共晶技術(shù)是近幾年來(lái)出現(xiàn)的一種利用共晶合金的特性實(shí)現(xiàn)芯片與基板、基板與管殼、蓋板與殼體的焊接。隨著芯片集成產(chǎn)品功率的增加，越來(lái)越多的芯片需要使用共晶來(lái)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。相比于手動(dòng)氮?dú)獗Ｗo(hù)共晶技術(shù)，真空共晶技術(shù)能夠解決大面積薄形功率芯片的無(wú)(低)空洞焊接。近幾年來(lái)，真空共晶技術(shù)在混合集成電路領(lǐng)域得到了比較廣泛的應(yīng)用，隨著真空共晶技術(shù)的推廣，真空共晶設(shè)備的市場(chǎng)占有率迅速提高，在這種狀況下，以前的共晶設(shè)備無(wú)法滿足一些高可靠性的焊接。本文分析了影響焊接質(zhì)量的幾種因素，并提出了解決辦法。

1 真空度對(duì)共晶焊接質(zhì)量的影響

真空對(duì)共晶焊接的影響主要表現(xiàn)在真空條件下焊料及被焊材料表面氧化反應(yīng)的變化，最終影響焊料的浸潤(rùn)和鋪展。

金屬的氧化反應(yīng)可以表達(dá)為：

該反應(yīng)的平衡常數(shù)為：

式中：Kp為反應(yīng)的平衡常數(shù)

PMex為金屬的分壓

PMexOy為反應(yīng)生成的氧化物的分壓

PO2為氧的分壓

A為系數(shù)

從反應(yīng)平衡常數(shù)可以看到，金屬氧化達(dá)成的平衡和系統(tǒng)的氧分壓有關(guān)。在真空系統(tǒng)當(dāng)中，由于氧的分壓非常低，在真空系統(tǒng)中重新平衡時(shí)將導(dǎo)致原來(lái)的氧化物分解，即原來(lái)的化合反應(yīng)逆向?yàn)榉纸夥磻?yīng)。這種情況對(duì)分解壓大的金屬氧化膜有利，如貴金屬氧化膜等。一般的金屬氧化物分解需要的真空度極高，在技術(shù)上很難達(dá)到。

一般情況下，真空環(huán)境中共晶焊接的氧化物主要是焊料表面在使用前已經(jīng)存在的氧化膜，雖然在真空中有分解的傾向，但從反應(yīng)動(dòng)力學(xué)來(lái)看，焊接溫度沒(méi)有達(dá)到氧化膜開(kāi)始分解的溫度。分析來(lái)看，在沒(méi)有助焊劑的情況下，真空下共晶焊接主要是阻止了焊接過(guò)程中焊料的進(jìn)一步氧化，從而使焊料和被焊表面浸潤(rùn)和鋪展過(guò)程中所做的功減少，有利于焊接。

在真空環(huán)境中進(jìn)行焊接，可以排走焊區(qū)周圍的氣體，也排走了焊料、被焊材料在加熱過(guò)程中排放的氣體，同時(shí)在芯片上外加壓力，認(rèn)為提高設(shè)備的工作真空度，降低氧含量，有利于焊接質(zhì)量的提高。以銀錫焊料為例，原有的真空共晶焊接設(shè)備的工作真空度為5 Pa，通過(guò)改進(jìn)，加裝了分子泵(見(jiàn)圖1)，使設(shè)備的極限真空度分別提高到5×10-1Pa，5×10-2Pa，5×10-3Pa，然后再運(yùn)行焊接工藝曲線(見(jiàn)圖2)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，對(duì)焊接后的芯片做X射線照片分析比較 (見(jiàn)圖3)，驗(yàn)證了真空度在5×10-2Pa和5×10-3Pa時(shí)，焊接效果明顯。

圖1 分子泵工作原理圖

圖2 焊接工藝曲線

圖3 不同真空度下芯片焊接的X射線照片

2 特殊氣氛對(duì)共晶質(zhì)量的影響

在諸多影響芯片焊接質(zhì)量的因素中(包括芯片載體表面潔凈度、粗糙度、芯片表面金屬化體系的設(shè)計(jì)及金屬化工藝水平、焊料純度及粗糙度、焊料氧化層的去除及焊接工藝曲線的控制等)，最為關(guān)心的是焊接過(guò)程中如何去除焊料層表面的氧化層，來(lái)達(dá)到焊料與芯片以及載體的浸潤(rùn)狀態(tài)。

由于對(duì)芯片和基板(材料為無(wú)氧銅)散熱要求及材料的成本考慮，一般選擇延展性好的In焊料作為焊接層。不過(guò)In焊料熔點(diǎn)低極易氧化，無(wú)論是焊料蒸發(fā)還是焊接過(guò)程中，都會(huì)產(chǎn)生不同程度的氧化，In容易形成穩(wěn)定的氧化物，熔點(diǎn)達(dá)到850℃，低溫度下不會(huì)融化，如果這層氧化層不去除，焊料和芯片就不能形成較好的浸潤(rùn)，從而影響器件焊接強(qiáng)度及散熱。

2.1 甲酸氛圍保護(hù)焊接原理

甲酸具有較強(qiáng)的還原能力，可以去除很厚的氧化層，不過(guò)理論上In表面的氧化層很薄，僅僅幾個(gè)納米，因此直接將甲酸溶液滴在焊料上會(huì)導(dǎo)致溶液的殘留，且低溫下甲酸溶液不容易揮發(fā)，還會(huì)對(duì)In焊料有一定的溶解能力，在燒焊過(guò)程中有溶液殘留的地方就會(huì)導(dǎo)致空洞的產(chǎn)生。因此使用直接將溶液滴在焊料上的方法是不取的。因此考慮用高純和甲酸混合氣體進(jìn)入爐體，對(duì)In焊料表面的氧化層進(jìn)行還原。In的還原反應(yīng)分為2個(gè)溫度階段，在150～200℃時(shí)，反應(yīng)式為：

在高于200℃時(shí)，反應(yīng)式為：

圖4所示為和甲酸的混合氣體示意圖。

圖4 和甲酸的混合氣體流動(dòng)方向

2.2 整個(gè)工藝過(guò)程及焊接效果

先抽真空，當(dāng)真空度到達(dá)15Pa時(shí)，運(yùn)行焊接工藝曲線(見(jiàn)圖5)，溫度到達(dá)150℃時(shí)，停止抽真空，向真空室充和甲酸的混合氣體，的流量控制在0.3L/m,和甲酸的混合氣體的流量控制在0.1～0.4L/m，在加熱曲線結(jié)束后，停止充甲酸混合氣體，充入氮?dú)膺M(jìn)行冷卻。

和傳統(tǒng)的焊接效果(見(jiàn)圖6)相比，有甲酸氣體保護(hù)的效果(見(jiàn)圖7)無(wú)論從焊料的浸潤(rùn)，還是對(duì)芯片的散熱效果，都明顯要好。

圖5 In焊料的焊接工藝曲線

圖6 傳統(tǒng)的焊接效果

圖7 有甲酸氣體保護(hù)的焊接效果

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)真空共晶設(shè)備的改進(jìn)，證實(shí)了對(duì)于用銀錫焊料焊接的芯片工藝，可以增加分子泵，提高真空室的真空度，避免焊料在加熱過(guò)程中氧化；對(duì)于用In焊料焊接的芯片工藝，可以充入高純和甲酸混合氣體，對(duì)焊料表面的氧化物進(jìn)行還原。與原來(lái)的工藝相比，改進(jìn)后的2種工藝無(wú)論是焊料的浸潤(rùn)性，還是對(duì)芯片的散熱都有明顯的優(yōu)勢(shì)。

[1]謝飛，劉美玥.真空共晶技術(shù)的研究應(yīng)用[J].電子工藝技術(shù)，2006，27（6）：344-347.

[2]中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì).焊接手冊(cè)-焊接方法及設(shè)備（第二版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.