真空共晶爐的改進與提升

霍灼琴，馬海亮，張永聰

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原030024)

隨著微波混合集成電路向著高性能、高可靠、小型化、高均勻性及低成本方向的發展，對芯片焊接工藝的要求越來越高，這對實現芯片焊接工藝的設備也提出了越來越高的要求[1]。真空共晶爐作為實現芯片共晶焊接工藝必須的設備，其性能指標對共晶工藝焊接的質量及生產效率有很大影響，尤其是真空共晶爐的溫度均勻性及生產效率，針對此要求，我們對原有真空共晶爐的溫度均勻性及冷卻速率進行了改進提升。

1 真空共晶爐

真空共晶爐是微電子行業利用共晶原理在真空或保護氣氛下進行焊接的關鍵性設備。可根據焊接對象的共晶特點，設定工藝曲線，在惰性氣體或真空環境中，加熱達到共晶的溫度，保持一段時間后充氣冷卻，達到共晶焊接的目的。真空共晶爐可精確控制爐腔內的共晶環境，包括溫度、真空度、充氣氣體流量和時間等。精確的工藝環境控制和使用的安全性使得真空共晶爐成為共晶焊接的理想設備[2]。溫度均勻性和冷卻速率的提升是設備性能提升的關鍵。

2 溫度均勻性提升

真空共晶爐加熱方式是采用石英燈紅外加熱器輻射加熱，因為紅外線輻射加熱具有穿透力，可內外同時加熱，升溫迅速，熱滯后小，熱交換速率快。紅外線照射到被加熱的物體時，一部分射線被反射回來，一部分射線被穿透過去。而這部分被穿透過去的紅外線，是因為該部分紅外線波長和被加熱物體的吸收波長一致，從而使被加熱的物體吸收這部分紅外線熱能，這時，被加熱物體內部分子和原子發生“共振”，產生強烈的振動、旋轉等不規則運動，而這些強烈的振動和旋轉等不規則運動使被加熱物體溫度升高，達到了加熱的目的。利用此加熱方式，重要的是紅外線波長與被加熱物體波長的匹配，即當照射到物體上的紅外線頻率與組成該物體的物質分子振動頻率相同時，分子就會對紅外輻射能量產生共振吸收，同時通過分子間能量的傳遞，使分子內能（振動能及轉動能）增加，也就是分子平均動能增加，表現為物體溫度升高。影響真空共晶爐溫度均勻性的因素有很多，主要包括爐腔內石英燈紅外加熱器之間的排布、單支石英燈紅外加熱器的功率分布、石英燈紅外加熱器與被加熱物體之間的距離、被加熱物體吸收波長的特性等。

改進前的真空共晶爐采用爐腔內等間距分布的12根等功率的石英燈紅外加熱器加熱，然后將熱量輻射至形狀規則、材質均勻的石墨加熱板上以實現對器件的加熱，該方式能夠實現的板面溫度均勻性為±5℃。通過對爐腔內熱場進行模擬分析，對爐腔內石英燈紅外加熱器安裝位置重新排布，對單根石英燈紅外加熱器加熱功率分布進行優化并選擇新型復合材料AlSiC作為被加熱物體，從而將整個板面溫度均勻性提高至±2℃。

2.1 爐腔內熱場模擬分析

2.1.1 熱設計條件

在熱仿真中，模型的大小及細化程度會直接影響網格數量的多少，進而影響計算資源及計算時間。因此，需要將散熱性能影響較小的部件、工藝結構等簡化。簡化后的模型如圖1所示。

圖1 爐腔仿真模型

模型建立的邊界條件：

●環境溫度：25℃；

●氣壓：1 kPa；

●自然散熱；

●燈管的平均功率：150 W（通過工作板的需求溫度得出）；

●分析類型：穩態；

●湍流類型：層流；

●輻射：開。

2.1.2 熱設計方案

本節主要針對被加熱板熱導率和石英燈紅外加熱器功率進行熱仿真分析。

2.1.2.1 被加熱板的熱導率

影響散熱性能的主要因素為材料的物性參數及散熱面積。散熱面積的更改涉及被加熱板結構的更改，被加熱板結構暫不做更改。因此，本節僅討論物性參數對散熱性能的影響。在自然散熱中，熱導率是影響散熱性能的關鍵因素。

通過單一變量分析，設置不同梯度的熱導率進行分析。熱導率設置如表1所示。

表1 熱導率

為了直觀的比較工作板溫度的分布情況，將云圖的溫度標尺設為一致，均為290～300℃，熱導率仿真結果如圖2所示。

圖2 不同熱導率溫度云圖

通過仿真結果可知，不同熱導率對被加熱板溫度均勻性的影響較大。根據仿真結果，選用了熱導率較高的AlSiC，它是一種顆粒增強金屬基復合材料，采用Al合金作基體，按設計要求，以一定形式、比例和分布狀態，用SiC顆粒作增強體，構成有明顯界面的多組相復合材料，兼具單一金屬不具備的綜合優越性能，AlSiC具有高導熱率和可調的熱膨脹系數，一方面AlSiC的熱膨脹系數與半導體芯片和陶瓷基片實現良好的匹配，能夠防止疲勞時效的產生，甚至可以將功率芯片直接安裝到AlSiC基板上，另一方面AlSiC的熱導率是一般封裝材料的十倍，芯片產生的熱量可以及時散發。這樣，整個元器件的可靠性和穩定性大大提高。

2.1.2.2 石英燈紅外加熱器

石英燈紅外加熱器作為熱源，為了更好地將加熱器輻射的能量傳導和聚焦在被加熱材料上，在石英燈紅外加熱器底部添加鍍金反射層，可以反射90%以上的紅外射線。再結合功率梯度分布及間距排列，即可改善熱板的均勻性。以石英燈紅外加熱器的間距一致為前提，從功率梯度角度進行分析。為了單一變量分析，保持紅外加熱器的總功率為定值（12×150 W=1800 W）。

通過仿真結果可知，溫度分布近似呈現左右對稱的形式。因此，紅外加熱器的分布亦成對稱形式，其分布如圖3所示。紅外加熱器功率的分布如表2所示。熱仿真結果如圖4所示。

圖3 石英燈紅外加熱器分布

表2 功率設置

圖4 不同功率紅外加熱器溫度云圖

通過仿真結果可知，隨著功率梯度的增大，工作板中心溫度越低，整個板面溫度均勻性越好。根據仿真結果，將爐腔內石英燈紅外加熱器重新進行分布，從而有效地改善整個板面的溫度均勻性。

3 真空共晶爐冷卻速率的提升

原設備的冷卻進氣管路是通過爐體底部一路氣體實現，產品焊接完成后打開電磁截止閥通入氮氣對腔體內石墨板進行降溫冷卻，但是當腔體一直處于工作狀態時，腔體內溫度持續處于高溫狀態，一路氣體冷卻速率較為緩慢，從而影響產品的生產效率。通過對設備冷卻氣體進氣管路進行改進，在爐體底部冷卻氣體進氣口增設為5路，使得冷卻氣體與加熱板接觸面積更大，從而更好地達到冷卻的效果。同時，在爐體兩側增加水冷條，優化現有冷卻氮氣氣路，大幅度提高冷卻速率，從而提高產品的生產效率。

4 真空共晶爐改進后的測試結果

真空共晶爐改進后，用溫度記錄儀同時采集被加熱板上5點，對溫度均勻性和冷卻速率進行了測試，測試結果如表3、表4所示。

表3 溫度均勻性測試結果

表4 冷卻速率測試結果

從測試結果可以看出，真空共晶爐改進后溫度均勻性由原來的±5℃提升為±2℃，平均冷卻速率由原來的10℃/min提升為20℃/min以上。

5 結束語

本文介紹了真空共晶爐及其如何提高設備溫度均勻性與冷卻速率的方法，并對改進后的設備進行了測試驗證，驗證結果滿足設計的要求，溫度均勻性更高，冷卻速率更快，為客戶提供了更好的工藝環境，有效地提高了生產效率。