真空共晶設備的改進對共晶焊接質量的影響

張建宏，王 寧，楊凱駿，井文麗

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西太原030024)

真空共晶技術是近幾年來出現的一種利用共晶合金的特性實現芯片與基板、基板與管殼、蓋板與殼體的焊接。隨著芯片集成產品功率的增加，越來越多的芯片需要使用共晶來實現互聯。相比于手動氮氣保護共晶技術，真空共晶技術能夠解決大面積薄形功率芯片的無(低)空洞焊接。近幾年來，真空共晶技術在混合集成電路領域得到了比較廣泛的應用，隨著真空共晶技術的推廣，真空共晶設備的市場占有率迅速提高，在這種狀況下，以前的共晶設備無法滿足一些高可靠性的焊接。本文分析了影響焊接質量的幾種因素，并提出了解決辦法。

1 真空度對共晶焊接質量的影響

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

金屬的氧化反應可以表達為：

該反應的平衡常數為：

式中：Kp為反應的平衡常數

PMex為金屬的分壓

PMexOy為反應生成的氧化物的分壓

PO2為氧的分壓

A為系數

從反應平衡常數可以看到，金屬氧化達成的平衡和系統的氧分壓有關。在真空系統當中，由于氧的分壓非常低，在真空系統中重新平衡時將導致原來的氧化物分解，即原來的化合反應逆向為分解反應。這種情況對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，在技術上很難達到。

一般情況下，真空環境中共晶焊接的氧化物主要是焊料表面在使用前已經存在的氧化膜，雖然在真空中有分解的傾向，但從反應動力學來看，焊接溫度沒有達到氧化膜開始分解的溫度。分析來看，在沒有助焊劑的情況下，真空下共晶焊接主要是阻止了焊接過程中焊料的進一步氧化，從而使焊料和被焊表面浸潤和鋪展過程中所做的功減少，有利于焊接。

在真空環境中進行焊接，可以排走焊區周圍的氣體，也排走了焊料、被焊材料在加熱過程中排放的氣體，同時在芯片上外加壓力，認為提高設備的工作真空度，降低氧含量，有利于焊接質量的提高。以銀錫焊料為例，原有的真空共晶焊接設備的工作真空度為5 Pa，通過改進，加裝了分子泵(見圖1)，使設備的極限真空度分別提高到5×10-1Pa，5×10-2Pa，5×10-3Pa，然后再運行焊接工藝曲線(見圖2)。通過實驗，對焊接后的芯片做X射線照片分析比較 (見圖3)，驗證了真空度在5×10-2Pa和5×10-3Pa時，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 特殊氣氛對共晶質量的影響

在諸多影響芯片焊接質量的因素中(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計及金屬化工藝水平、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)，最為關心的是焊接過程中如何去除焊料層表面的氧化層，來達到焊料與芯片以及載體的浸潤狀態。

由于對芯片和基板(材料為無氧銅)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In焊料熔點低極易氧化，無論是焊料蒸發還是焊接過程中，都會產生不同程度的氧化，In容易形成穩定的氧化物，熔點達到850℃，低溫度下不會融化，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，從而影響器件焊接強度及散熱。

2.1 甲酸氛圍保護焊接原理

甲酸具有較強的還原能力，可以去除很厚的氧化層，不過理論上In表面的氧化層很薄，僅僅幾個納米，因此直接將甲酸溶液滴在焊料上會導致溶液的殘留，且低溫下甲酸溶液不容易揮發，還會對In焊料有一定的溶解能力，在燒焊過程中有溶液殘留的地方就會導致空洞的產生。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入爐體，對In焊料表面的氧化層進行還原。In的還原反應分為2個溫度階段，在150～200℃時，反應式為：

在高于200℃時，反應式為：

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方向

2.2 整個工藝過程及焊接效果

先抽真空，當真空度到達15Pa時，運行焊接工藝曲線(見圖5)，溫度到達150℃時，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，在加熱曲線結束后，停止充甲酸混合氣體，充入氮氣進行冷卻。

和傳統的焊接效果(見圖6)相比，有甲酸氣體保護的效果(見圖7)無論從焊料的浸潤，還是對芯片的散熱效果，都明顯要好。

圖5 In焊料的焊接工藝曲線

圖6 傳統的焊接效果

圖7 有甲酸氣體保護的焊接效果

3 結束語

通過對真空共晶設備的改進，證實了對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，避免焊料在加熱過程中氧化；對于用In焊料焊接的芯片工藝，可以充入高純和甲酸混合氣體，對焊料表面的氧化物進行還原。與原來的工藝相比，改進后的2種工藝無論是焊料的浸潤性，還是對芯片的散熱都有明顯的優勢。

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

[2]中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊-焊接方法及設備（第二版）[M].北京：機械工業出版社，2007.