真空共晶焊接金屬電極片變色問題改善工藝研究

吳文輝，吳明釗，蔡約軒，王凱星，陳膺璽

（福建火炬電子科技股份有限公司，福建泉州 362300）

1 引言

近幾年來，隨著多芯片產品的小型化和多樣化，越來越多的產品需要使用共晶焊接來實現互聯。與回流焊焊接技術相比，真空共晶焊接技術能夠有效地解決低空洞率焊接問題，被廣泛應用于混合集成電路領域、毫米波高頻和大功率微波器件中[1-2]。

2 共晶焊接的原理

共晶焊接是微電子組裝中一種重要的焊接工藝，又稱為低熔點合金焊接，它是指在相對較低的溫度下共晶焊料發生共晶物熔合的現象，共晶合金直接從固態轉變成液態，而不經過塑性階段。真空共晶焊接是利用真空共晶爐的共晶技術，并有效控制爐內氣氛，大致通過抽真空、充氣、預熱、升溫、排氣、降溫和進氣等過程，設置出相應的溫度、真空度與時間的控制曲線，實現芯片與金屬電極片共晶焊接的過程[3-6]。

3 試驗方法與過程

文章采用陶瓷介質電容器（MLCC）、Sn5Pb92.5 Ag2.5 高鉛焊料和鐵鎳合金金屬電極片制作無包封金屬支架電容器進行試驗。在真空共晶焊接過程中，針對不同溫度時段對真空共晶爐的真空度和氣氛進行控制，通過樣件的檢測觀察金屬電極片的變色情況，分析不同的爐腔真空度和氣氛對金屬電極片變色的影響，并在試驗的基礎上進行參數優化，同時獲得低空洞率的產品。

3.1 試驗方法

3.1.1 試驗流程

制作工藝流程如圖1 所示。

圖1 制作工藝流程

3.1.2 試驗設備與工具

試驗設備與工具包括KD-V43 真空共晶爐、超聲波清洗機、鋁合金夾具、體式顯微鏡、鑷子、X-ray 檢測儀。

3.2 試驗過程

3.2.1 焊料TG-DTA 綜合熱分析

采用TG-DTA 綜合測試儀，測試氣氛為氮氣；升溫速率為10 ℃/min。圖2 示出了焊料的綜合熱曲線，它包括加熱曲線、差熱曲線和熱重曲線。根據綜合熱分析曲線可知，焊料在整個升溫過程均處于吸熱狀態，第一個吸熱峰從室溫開始發生至80 ℃達到峰值，TG 曲線上對應這一過程質量無明顯損失。圖中130~220 ℃之間DTA 曲線呈現上升狀態，與此同時，TG 曲線顯示焊料在吸熱的同時快速失重，主要發生在焊料中的水分、助焊劑和溶劑中的有機物排除過程，因此在制定焊接曲線時，升溫速率要緩慢或需進行一定時間的保溫，保證水分、氣體的有效排除。第二個吸熱峰出現在285 ℃至319 ℃達到峰值，該區間焊料中的焊錫鉛粉顆粒開始融化形成Sn-Pb 共晶化合物。

圖2 焊料TG-DAT 綜合熱分析曲線

3.2.2 焊料焊接工藝曲線設定

根據焊料TG-DTA 綜合熱分析曲線設定焊料的焊接工藝曲線，考慮到工裝治具的吸熱量問題，另外，在業內普遍公認焊接應在高于焊料熔化溫度至少30 ℃的峰值溫度下進行，以優化潤濕性能和達到良好的焊點質量[7]，工藝曲線見圖3。

圖3 焊料焊接工藝曲線

3.2.3 溫度曲線的確定

根據焊料焊接工藝曲線進行共晶爐曲線設置，在前期經過抽真空降低爐腔內的氧分壓。然后充入氮氣，使共晶焊接試驗時爐腔全程保持標準大氣壓及氮氣保護氣氛。焊接溫度曲線如圖4 所示。在該溫度曲線下，焊料熔化充分且色澤光亮。在體式顯微鏡下觀察金屬電極片，發現有變色現象，如圖5 所示。為確認變色物質成分，經掃描電鏡分析（SEM）和能譜分析（EDS），該變色物質含有 C、O 元素，見圖 6。經 X 射線拍照，發現焊料的空洞率達到20%左右，見圖7。

圖4 全程氮氣保護共晶焊接曲線

圖5 顯微鏡下焊點及金屬電極片外觀檢測圖

為確認金屬電極片變色的影響，挑選5 只金屬電極片上存在變色的樣品TM1-1 和5 只金屬電極片上光亮的樣品TM2-1 進行可焊性對比。采用BD-110RA鈦合金熔錫爐，根據GJB 360B-2009[8]方法208 的規定進行試驗，采用焊槽法，溫度 245 ℃±2 ℃，保持 5 s，試驗前應將樣品懸掛于距離沸騰的蒸餾水或去離子水上面38~64 mm 處，并暴露于水蒸氣中1 h 進行蒸汽老化處理。試驗結果如表1 所示，金屬電極片存在變色現象的樣品，潤濕能力差，出現局部的拒焊現象。

圖6 金屬電極片上黃色物質SEM 分析圖

圖7 X-ray 測試焊點空洞率圖

表1 可焊性試驗對比結果

另外，挑選5 只金屬電極片上存在變色的樣品TM1-2 和5 只金屬電極片上光亮的樣品TM2-2 進行剪切強度對比。電容器先安裝在基板上，基板材料選用1.6 mm±0.2 mm 厚的環氧編制玻璃纖維覆銅層壓板（按 IEC 61249-2-7，2002IEC-EP-GC-Cu）[9]，焊料選用Sn62Pb36Ag2，安裝完成后，采用SN-100 指針式推拉力計，根據GJB 548B-2005[10]方法2019.2 的規定進行試驗，見圖8。試驗結果如表2 所示，金屬電極片存在變色現象的樣品，因為潤濕能力差，導致焊接不良，造成抗剪切能力下降。

圖8 剪切強度試驗示意圖

表2 剪切強度對比結果

3.2.4 全程真空環境

根據圖4 的溫度-時間曲線，爐腔內保持真空狀態，工藝曲線見圖9。在該曲線下，焊料熔化不充分，出現“褶皺”、“土丘鼓包”狀和暗啞無光澤狀態，見圖10。造成該現象的原因為在真空狀態下導熱媒介減少，產品焊接熱量通過設備底板導熱和熱輻射傳導，熱傳導效率低，實際焊接溫度低。經X 射線拍照，發現焊料的空洞率達到3%左右，見圖11。

圖9 全程真空環境共晶焊接曲線

3.2.5 共晶保溫階段增加抽取真空

考慮到全氮氣環境下，由于焊料中的揮發物在爐腔內附著在金屬電極片上，導致金屬電極片出現變色的現象。另外，在全真空環境下，焊料熔化不完全，故在焊料共晶保溫階段增加抽取真空動作，抽掉助焊劑揮發物和共晶階段焊料熔化后產生的揮發氣體，工藝曲線見圖12。試驗結果見圖13，焊點光亮且呈金屬光澤，金屬電極片變色現象減輕。這表明在共晶保溫階段增加抽取真空動作可以在一定程度上改善金屬電極片變色現象，但在共晶保溫階段再來排除爐腔內揮發氣體動作已經滯后，且在X-ray 設備檢測下仍存在一定空洞，其空洞率約為8%左右，見圖14。

圖10 全程真空環境下焊點狀態

圖11 全程真空環境下X-Ray 測試焊點空洞率圖

圖12 共晶保溫階段增加抽取真空的焊接曲線

圖13 共晶保溫階段增加抽取真空狀態下金屬電極片及焊點狀態

圖14 共晶保溫階段增加抽取真空后X-ray測試焊點空洞率圖

3.2.6 預熱階段和共晶保溫階段增加抽取真空

為了避免焊料預熱階段產生的揮發氣體對金屬電極片進行侵蝕，故在3.2.5 節的基礎上，在預熱階段（200 ℃左右）增加抽取真空動作，先抽掉焊料前期排出的揮發氣體，工藝曲線見圖15。試驗結果見圖16，焊料熔化充分完全、色澤光亮，且金屬電極片呈現金屬光澤，未發現變色現象。在X-ray 設備檢測下空洞非常小，其空洞率約為3%左右，見圖17。

圖15 預熱階段和共晶保溫階段增加抽取真空

圖16 預熱階段和共晶保溫階段增加抽取真空下金屬電極片及焊點狀態

圖17 預熱階段和共晶保溫階段增加抽取真空下X-ray 測試焊點空洞率圖

4 試驗結果與分析

4.1 試驗結果

將上述試驗匯總，見表3。

表3 試驗結果

通過以上多個試驗的檢測結果可以發現，全程氮氣過程中金屬電極片變色發黃現象嚴重，空洞率大，主要是由于焊接過程焊料中產生的大量揮發氣體充斥整個爐腔和焊料中無法排出造成的。全程真空環境下，導熱媒介減少，產品焊接溫度是通過設備底板導熱和熱輻射傳導熱量，熱傳導效率低，實際焊接溫度低。當焊接過程中通過抽取真空、降低爐腔的氧分壓以及有效排出焊接過程產生的揮發氣體時，可以有效減少或解決金屬電極片變色問題，且空洞率達到3%左右。

4.2 試驗分析

4.2.1 空洞的產生機理

預熱階段和共晶階段，焊料中的溶劑（如助焊劑、活性劑、抗垂流劑等）受熱會揮發釋放大量的氣體，同時，金屬電極片、芯片、焊料中金屬顆粒等表面的氧化物與助焊劑發生化學反應也會產生氣體，當液態錫鉛中氣泡的浮力大于流動阻力時，這些氣體部分會揮發而脫離錫膏；反之，部分會殘留在熔融液態錫鉛中，被包裹在液態錫鉛中的氣體僅靠上浮力很難逃逸到液態錫鉛表面，加上共晶回流時間短暫，當液態錫鉛降溫冷卻固化成固態時，殘留在固態錫鉛中的氣體就變成了空洞。因此要使氣泡能從焊料中排出，必須增加焊料中氣泡的浮力，減小焊料的流動阻力。當真空共晶回流環境的氣體壓強小于焊料內部產生的氣體壓強時，氣泡就會有足夠的動力逃逸出熔融的液態錫鉛[2,11]，故試驗過程中有抽真空動作的產品空洞率會比全程氮氣環境的空洞率小。

4.2.2 揮發氣體導致變色

在真空共晶焊接過程中，焊料中的溶劑產生大量氣體，以及氧化物與助焊劑發生化學反應產生氣體。另外，在共晶階段，焊料中剩余的助焊劑會快速揮發形成氣體。這些氣體和助焊劑的揮發會污染整個真空焊接腔體內部，導致金屬電極片發生變色，表現為熏黑、發黃現象。

所以，避免金屬電極片變色問題的關鍵是首先盡量不要產生氣體，其次一旦產生氣體要有渠道讓其排出。市面上大部分預制焊片中均不含助焊劑，共晶焊接過程幾乎沒有揮發氣體產生，可有效解決電極片變色問題。但預制焊片需要專門的工裝治具和還原性氣氛來輔助生產。常見的還原性氣氛有甲酸（HCOOH）、N2和H2的混合氣體，兩者均具有比較強的還原能力，可以對氧化物進行去除，以達到芯片與焊料、金屬電極片的浸潤狀態。HCOOH 和金屬氧化物的反應溫度低于200 ℃，形成甲酸金屬鹽和水，在200 ℃以上甲酸金屬鹽分解成金屬和H2O、CO2，因此HCOOH 適合低熔點的合金體系。文章選用的是Sn5Pb92.5Ag2.5 高鉛焊料，熔點為287~296 ℃，因此HCOOH 體系并不適合。H2的還原反應需要在高溫（250 ℃）環境下進行，H2在常壓下易燃，當空氣中H2含量達到4.0%~75.6%（體積濃度）時會發生爆炸。綜合考慮，故把解決的重點放在如何讓共晶焊接過程產生的氣體快速排出。

4.2.3 氧化導致變色

金屬電極片在高溫和有氧的環境下易氧化，產生變色。金屬的氧化反應可以表達為：

所以，避免金屬電極片變色（氧化）問題的關鍵是盡量在低氧或無氧環境中進行共晶焊接。

真空度和氣氛是影響氧含量的一個重要因素。在共晶焊接中，如果加大真空度就會降低爐腔內的氧含量，但也會導致在加熱過程中導熱媒介變少，造成共晶焊料達到熔點但是沒有熔化的現象，且會加大設備功耗和延長工藝生產周期。

真空共晶系統一般都具有向真空爐腔內充入氣體的功能。常用的氣體有N2、H2或N2和H2的混合氣體、HCOOH 等。H2和 HCOOH 在上一節有論述，此處不再贅述。對焊接空洞要求不高的器件，可以使用氮氣進行保護焊，通過對真空共晶爐進行先抽真空后充氮氣的動作，循環幾次后，可以使腔體內的氧含量達到10-6級。

4.2.4 金屬電極片變色產生的危害

金屬電極片由于助焊劑等揮發氣體侵蝕和氧化導致變色，造成錫焊時潤濕能力差，在可焊性試驗過程中表現為拒焊或不潤濕，在剪切強度試驗過程中表現為抗剪切能力下降。

5 結論

真空共晶焊接過程中，焊料中的揮發物是導致金屬電極片變色的主要原因。金屬電極發生變色的位置上錫困難，會造成抗剪切能力下降。要減少或解決變色問題，關鍵是減少爐腔內揮發物的含量，把揮發物從爐腔內排除出去。從焊料的TG-DTA 熱綜合分析曲線可以發現在預熱階段（130~220 ℃）和共晶階段（285~319 ℃）均有大量氣體排出，而共晶焊接過程通過在這2 個階段增加抽取真空動作，把有害氣體排出爐腔，就可以有效解決金屬電極片變色現象，減少不利影響。