浅析真空环境下的共晶焊接.doc

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1、浅析真空环境下的共晶焊接摘要：随着经济和科技的发展，微电子组装水平也在飞速进步，而作为其中重要的焊接工艺的共晶焊接占有重要的地位,对其探讨也具有非常重要的现实意义。本文结合笔者的实践工作经验，首先对共品焊接的相关理论进行了探讨，包括共晶焊接的概念、原理以及焊料和设备的选用等,然后对真空环境下影响共晶焊接质量的因素进行了探讨，最后在结合理论分析的皋础上，提出了两种在真空环境下改进共晶设备的措施，相信可以为实践提供一定的指导意义。关键词：真空环境；共晶焊接；共晶设备；影响因素1.引言随着科技的进步，微电子组装向着小型化、高可靠性等方向发展，越来越多的芯片需要使用共晶来实现互联，

2、这无意中对芯片焊接工艺提出了非常高的要求。而真空环境下的共晶焊接却为解决这种要求带来了曙光，它可以解决大面积薄醒功率芯片的无空洞焊接。但是笔者经过实践分析后认为，共晶焊接的质量对芯片的寿命及可靠性具有比较大的影响，合理的共晶焊接真空度、保护气氛等可以起到非常好的作用。因此，值得深入进行探讨。近些年来，真空共品技术得到了飞速的发展，在混合集成电路领域得到了前所未有的广泛应用，随着真空环境下共晶焊接技术的推广，其相应的设备也得到了快速发展。在这种现状下，普通的共晶焊接设备明显不能满足一些高性能和高可靠性芯片的焊接工作，笔者立足于真空环境下共晶焊接质量的影响因素，从改进设备方面来

3、寻求解决之道，以达到提升共晶焊接质量的0的，以提升芯片焊接质量的高可靠性。2•共晶焊接的相关理论1.1.共晶焊接概念共晶焊接是一种低熔点的合金焊接，它是指在相对较低的温度下共晶焊料发生共晶物熔合的现象，共晶合金直接从固态变成液态，而不经过塑性阶段。在对共品焊接分析时可知，共晶焊料是由两种或者两种以上的若干金属组成的合金。还有一个概念是共晶温度，它是共晶材料的熔化温度,它往往会受到共晶焊料中合金成分比例的影响。2・2•选取共晶焊料共晶焊料的选取非常重要，是共晶焊接中比较关键的部分。对其选取要充分考虑到芯片材质的不同、镀层厚度的不同以及焊料的选用标准。例如，在Si芯片的背面Au

4、只是蒸一个薄层，也不过只有0.lum至0.2uiii之间，而如果采用Au和Sn焊料，那么芯片上面镀的金就会消失。而且上文也已经提过，焊料中的合金比例还会影响到共晶温度，所以如何有效选取焊料是比较关键的。值得提出的是，随着当前环境保护的呼声越来越高，含铅的焊料使用逐渐受到了比较大的限制，因此，开发无铅焊料也是未来的一个发展趋势。对无铅焊料的选择也是比较有原则的，要尽量满足结合强度高、化学稳定性强以及熔点尽量要低的要求。当前比较常用的无铅焊料主要有Sn-3.5Ag（它是很多无铅焊料的基础，具有很多优点），Sn-3.8Ag以及Sn-3.4Ag-4.8Bi等，它们各自都具有各自独自

5、的特性以及优点。1.3.选用共晶设备可以实现共晶焊接的常用共晶设备有许多，除了真空可控气氛共晶炉外，还有红外再流焊炉、箱式炉以及银子共晶机等许多种。下文将对当前应用比较普遍的真空可控气氛共晶炉以及银子共晶机进行分析，限于篇幅，其余不再赘述。真空可控气氛共晶炉在共晶焊接时能够提供真空环境或可控的气氛（氮气、氮气和甲酸的混合气体等）。共晶焊接时无需使用助焊剂。它可根据焊接对象的共晶特点，设定工艺曲线，可以精确控制炉体内的共晶环境，包括温度和时间，真空度、充气气体流量和时间等。精确的工艺环境控制和使用的安全性使得真空可控气氛共晶炉成为共晶焊接的理想设备。银子共晶机在共晶焊接过程中

6、，在加热台周围充氮气作为保护气氛，并在共晶焊料熔化时通过锻子摩擦或超声波使焊料表血形成的氧化膜破坏，从而降低共晶过程中产生的空洞。用此设备时虽在共晶过程中充氮气作为保护气氛，但毕竟是暴露在大气环境下，如果共晶时间掌握不好，就会迅速形成氧化膜，从而在共晶结束后产生空洞。同时，在银子进行摩擦过程时容易对芯片造成损坏。对于多芯片实现一次共晶比较困难。2.对真空环境下共晶焊接的影响因素及改进措施探讨3・1•影响共晶焊接时的主要因素真空度、保护气氛、设置温度曲线和共晶焊接时的压力等是影响共晶焊接质量的重要因素，下文将分别对它们进行详细探讨，以为提出改进真空环境下焊接质量的措施提供参考

7、基础。1.真空度在共晶焊接过程中，如果真空度太低，焊区周围的气体以及焊料、被焊器件焊接时释放的气体容易在焊接完成后形成空洞，从而增加器件的热阻，降低器件的可靠性，扩大TC断裂的可能。但是如果真空度太高，在加热过程中传导介质变少，容易产生共晶焊料达到熔点但还没有熔化的现象。在实践中，通常对共晶焊接时的真空度要求为5Pa和10P&之间。但对于一些内部要求真空度的器件来说，真空度要求往往更高，一般到5X10-2Pa和5X10-3PaZ间，甚至更高。2.保护气氛当前应用的保护气氛主要有氮气保护焊和甲酸气氛保护焊两种。前者主