真空共晶焊空洞研究的发展现状与发展趋势

就目前的真空共晶焊焊接系统，焊接系统材料、焊接工艺参数、焊接系统几
何结构、焊接系统设备等的设置可能没达到最优化，这些参数的设置需要长期、 大量的试验才能够达到最优化。
②从新的焊接系统考虑 随着科技的高速发展，新材料、新器件、新设备，甚至新的互联工 艺都有可能出现，例如，开发新材料，如焊料、薄膜镀层材料、热沉材 料、基板材料、芯片材料，只要能使加热、冷却过程中焊接系统的热膨 胀系数匹配，则焊接空洞率就会对应减小；新器件，如光器件、光电器 件，这些器件可能对空洞率的要求和纯电器件的不同，因为其信号的传 输依靠光。
应用场合。真空共晶焊常用的焊料有Au80Sn20、Au97Si3、Au88Ge12三
种成分 。因为被焊接件几何尺寸小、气密性预成型焊片的应用如图5、图6、图7所示。
图5 金属管壳气密封装（焊料环）
图6 芯片高散热粘接（焊料片）
图7 预覆焊片的金属盖板（焊料框）
3.5空洞的评价标准
对于达到什么程度的空洞为过多，目前还没有达成共识。电子制造行
业普遍的做法是：通常在X光照片中看到的空洞，当空洞的大小超过JSTD-001D规定的25%面积（即S≥25%）时，便予以拒收。但是在众多芯
片厂商中有许多厂家的接收标准又不相同，例如，IBM认为BGA的空洞面
积不超过15%，如果超过了20%就会影响焊点的可靠度，影响焊点的使用 寿命。然而在GJB548B-2005中明确规定不可接收标准：①焊接接触区空 洞超过整个接触面的50%（即S≥50% ）；②单个空洞横贯半导体芯片的 整个长度或宽度范围，并且超过整个预定接触面积的10%。但从目前功率 芯片和传统陶瓷基板的共晶焊空洞率已能控制在10%（即S≤10% ）以内。
图1 真空共晶焊炉
图2 炉内夹具
2.2真空共晶焊工艺流程
开始
加热到270℃ 加热到305℃ 305℃，并抽真空 冷却至100℃以下 停止 图3 真空共晶焊工艺流程
抽真空
充氮气
加热到240℃
图4 真空共晶焊温度曲线
2.3真空共晶焊焊料和应用
焊料是共晶焊接非常关键的因素。有多种合金可以作为焊料，如AuGe、 AuSn、AuSi、SnIn、SnAg、SnBi等，各种焊料因其各自的特性适于不同的
3.真空共晶焊空洞
3.1空洞产生机理 空洞形成的根本原因，是因为气泡的残留或引入，当芯片背面金属层、 焊料、基板金属薄膜层这些层之间的界面中残留或引入气泡，而气泡受内 部气体压力、收缩压力、静力学压力、真空炉内气体压力以及表面张力的 联合作用（其中前两个力由内向外的力，称之为内力，其余为由外而内的
4.降低空洞率的措施
（1）焊接工艺 ①对芯片施加一定压力； ②焊接过程中加入适量的保护气体和调整适当的真空度； ③焊料面积一般为芯片面积的1.2倍；
④共晶焊前清洁器件与焊料表面，去除杂质。
（2）焊接系统材料 ①Au80Sn20焊料的热导率明显比AuGe、AuSi焊料的高，这恰恰对应 了芯片对散热功能的需求
力，称之为外力），当内力>外力，气泡就会生长和移动，易于溢出；当内
力<外力，空洞体积缩小，这种溢出也会被抑制。从体积方面来说高温情况 下气体体积膨胀，小气泡变成大气泡溢出表面，而低温则阻止小气泡的生
长。所以，当气泡存在而粘接工艺又未能把气泡完全赶出时，气泡就在芯
片背面金属层和焊料层间、焊料层内或者焊料与基板上金属薄膜层间被存 储，空洞就形成了。
3.2空洞分类 BGA焊球空洞按位置可分成五类：A类、B类、C类、D类、E类共五类。
图8 芯片侧界面空洞（A类）
图9 PCB侧界面空洞（B类）
图10 焊球内部空洞（C类）
图11 盲孔空洞（D类）
图12 盲孔空洞（E类） 图13 真空共晶焊焊料层空洞
3.3空洞的形成过程和空洞率的计算
空洞包括空洞成形、空洞生长、空洞连接。
真空共晶焊空洞研究的发展现状与发展趋势
内容
• • • • • 1.国内外研究现状 2.真空共晶焊原理 3.真空共晶焊空洞 4.降低空洞率的措施 5.对未来空洞率的要求和控制方案的预测
1.国内外研究现状
1.1国外研究现状 在上个世纪七十年代初期，国外已有了真空共晶焊的研究，对于 真空共晶焊空洞缺陷问题，也有很多学者研究过，他们大都是通过实 验来研究空洞问题，如10年Byung-Gil Jeong等人对RF-MEMS器件做 了加压可靠性测试、高湿度存储可靠性测试、高温存储可靠性测试、 温度循环可靠性测试等4种测试，测试后放置室温条件1h后发现
洞率对应器件类型、焊接类型、焊料、焊接作用、使用环境的不同而不同，如
对气密性要求高的，空洞率应该小，在未来无论军品和民用对气密性要求都会 逐渐变高，空洞率应不高于1%，甚至无空洞。此外，在高密度的3D封装中，一
般对散热要求高，实现散热功能的焊接层就应该适当地降低空洞率。
（2）控制方案 ①从目前的焊接系统考虑
②共晶炉的夹具一般选用高纯石墨。
（3）焊接系统的几何结构 ①镀金层厚度，镍层厚度按一般要求（5μm~7μm）进行，镀金层厚度 应3μm~8μm； ②夹具的选取，选取带钨针夹具对芯片上可接触位置（如焊盘、无电路 区域）施加压力。
5.对未来空洞率的要求和控制方案的预测
（1）对空洞率的要求 由于焊接起着电气连接、机械支撑、保持气密性、散热等作用，故焊点空
另两种方式；同一焊接工艺，随着芯片尺寸变大，其孔隙率变化不显著，
但单个空洞的尺寸有明显增大趋势。
2.真空共晶焊原理
2.1真空共晶焊原理 共晶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 金直接从固态变到液态，而不经过塑性阶段。其熔化温度即为共晶温度。真 空共晶焊就是在真空的环境下充保护气体，加热使共晶焊料共晶达到芯片与 基板或管壳互连的目的。 “真空/可控气氛共晶焊炉”是国际上近几年推出的新设备，可实现器 件的各种共晶工艺；共晶时无需使用助焊剂，并具有抽真空或充惰性气体的 功能，在真空下共晶可以有效减少共晶空洞；如辅以专用的夹具，则能实现 多芯片一次共晶。
根据空洞的定义，芯片共晶焊接空洞 率定义为：
S (S1 S2 ) / S1
S 2 表示 其中，S1表示芯片可焊区域面积，
芯片实际焊接面积，约束条件是:0< S <1因
为实际焊接面积不会大于芯片可焊区域。
图14 空洞的形成过程
3.4空洞的检测方法 目前，比较常用的空洞的检测方法有三种，分别是电特性测量方法、X 射线、超声波扫描。 （1）电特性测量方法 利用电学方法可以快速，大规模的检测样品的空洞表现情况。电学测试 方法的原理是首先测得一个电压标值再让功率器件在正常状况下开启工作几 秒钟，如果功率器件的散热性能不是很好，器件的温度必然会有所上升，此 时再测此电压标值，如果与前一次测值的偏离达到一定程度，则判定此样品 的散热不良，可能存在空洞。 （2）X-ray X射线是工业上最常用来探测器件空洞的手段之一，它的优点在于直观， 快速。由于X-ray的成像原理为样品不同部分的密度和厚度的不同。所以Xray的空洞检测效果受到空洞本身形貌的制约，对焊料空洞的探测灵敏度不 高。 （3）超声波扫描 超声波能穿透密集的和疏松的固体材料，但它对于内部存在的空气层非 常的敏感，空气层能阻断超声波的传输。确定焊接层、粘接层的完整实SAM 独特的性能。因此超声波对于空洞的检测灵敏度高于X-ray，但是扫描起来 稍微麻烦一点，考虑到能量的衰减问题，一般从器件的背面扫描。
Au80Sn20预成型焊框出现了空洞。13年Ngai-Sze 等人在多个LED工
作在6W情况下，比较了夹头加热和流体回流加热两种共晶（焊料为 AuSn）方式下的空洞率，结果表明夹头加热方式焊片的平均空洞率
为8.8%，优于流体回流加热方式下的焊片平均空洞率40%。
1.2国内研究现状 国内在上个世纪八十年代初已有学者研究了真空共晶焊。目前，国内 已有不少对真空共晶焊的研究，如13年西南电子技术研究所的贾耀平选用 了Au80Sn20焊料对毫米波GaAs功率芯片的焊接工艺进行了较为系统深入 的研究，对焊接时气体保护、焊片大小、焊接压力、真空工艺过程的施加 和夹具设计等因素进行了试验分析，结果表明，GaAs功率芯片焊接具有较 低的空洞率，焊透率高达90%以上。12年中电集团58所的陈波等人探讨了 真空烧结、保护气氛下静压烧结、共晶摩擦焊等共晶焊方式在相同封装结 构、不同共晶焊接工艺下焊接层孔隙率，以及相同工艺设备、工艺条件下 随芯片尺寸增大孔隙率的变化趋势，结果表明Au-Si共晶摩擦焊孔隙率低于