真空共晶焊空洞研究的发展现状与发展趋势

真空共晶焊空洞研究的发展现状与发展趋势

摘要：近年来，真空共晶焊焊接技术在国内快速发展，并广泛运用于电子封装行业，如芯片与基板的粘接、基板与管壳的粘接、管壳封帽等。与传统的环氧导电胶粘接相比具有热阻小和可靠性高的优点。但具有低空洞率的真空共晶焊的焊接工艺设置仍需要探讨。本文参考了真空共晶焊的国内外发展现状，阐述了真空共晶焊原理和工艺过程，并着重分析了真空共晶焊空洞缺陷的产生机理、空洞分类、空洞率计算、空洞检测、空洞评价标准和空洞率控制措施，最后预测了未来对空洞率的要求和控制方案。

关键词：真空共晶焊；空洞；空洞率；控制措施

The Void of Vacuum Eutectic Welding’s Development Present Situation

and Development Trend

Abstract: In recent years, the vacuum eutectic solder welding technology is rapidly developing in the domestic and widely used in electronic packaging industry, such as chip and the substrate bonding, base plate and shell of the adhesive, shell sealing cap, etc. Compared with traditional epoxy conductive adhesive joint, it has the advantages of small thermal resistance and high reliability. But with low void r ate of vacuum eutectic solder welding process’s settings still is needed to discuss. In this paper, the reference of vacuum eutectic solder development situation is at home and abroad, this paper expounds the vacuum eutectic welding principle and process. Analyzing the void generating mechanism of vacuum eutectic welding hollow defect classification, void rate calculation, the assessment standard of void and the rate of void controlling measures.

Key words:Vacuum Eutectic Welding; V oid; The rate of void; Control measures

1国内外研究现状

在上个世纪七十年代初期，国外已有了真空共晶焊的研究]1[，现在可以说真空共晶焊是比较成熟的焊接工艺，对于真空共晶焊空洞缺陷问题，也有很多学者研究过，如Byung-Gil Jeong]2[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Au80Sn20预成型焊框出现了空洞。Michael David Henry]3[等人对Au-Si共晶焊进行了研究，研究表明如果用于防焊料扩散的扩散隔膜层（主要成分是铂）温度接近375℃，此温度高于Au-Si的共晶温度，基板表面会产生化学反应，从而生成微空洞，影响焊点键合强度和气密性。Ngai-Sze LAM]4[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%。

国内在上个世纪八十年代初已有学者研究真空共晶焊]5[。目前，国内已有不少对真空共晶焊的研究，如上海大学的殷录桥]6[通过理论计算、实验测试的手段研究了真空共晶焊空洞对LED热阻、共晶压力对LED器件光电性能的影响。西南电子技术研究所的贾耀平]7[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，用X射线检测，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。中电集团58所的陈波]8[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。南京电子技术研究所的胡永芳]9[等人介绍了X射线设备的检测原理和超声扫描设备检测原理，通过多次不定期的进行样件X射线检测，发现其测量系统分析不太稳定，对测量真值、测量的重复性和再现性不能控制，后经制订标样，采用超声扫描设备进行标样的空洞率检测，此方法测量值是真实可靠的，对产品的工艺检验评价起到了至关重要的作用。中电集团2所的张建宏]10[等人分析了真空环境对共晶焊接的影响，在原有设备增加了分子泵的情况下实现无空洞焊接。对甲酸气体保护下的In焊料焊接进行了分析，并结合实际经验给出合理的工艺曲线，证实了在真空室加入甲酸气体的保护下，可以把In焊料表面的氧化层去除，使焊料在浸润性方面具有明显的优势。

2真空共晶焊

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，而不经过塑形阶段。其熔化温度成为共晶温度。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”是国际上近十年推出的新设备]11[，如图1所示，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，夹具如图2所示。

图1 真空共晶炉图2 炉内夹具

2.2 真空共晶焊工艺流程

以Au80Sn20（共晶温度280℃）焊料为例，具体的工艺流程是：芯片与基板或芯片与管壳间放置焊料片，在芯片与焊料形成紧密接触]12[，充氮气将焊接气氛，即炉内抽真空并充高纯氮、氢气或者氮氢混合气体，再从室温升至240℃进行预热，使整个焊接芯片模型受热均匀，并在240℃~270℃之间进行缓慢升温，以去除基板表面吸附的水，然后升温至310℃~330℃的峰值温度，使焊料熔融并充分浸润焊接面，