基于國產金錫焊料的功率芯片焊接工藝及可靠性研究

馮曉晶 夏維娟 趙晉敏 賈旭洲 趙煒

（1 西安空間無線電技術研究所，西安 710000）（2 中國空間技術研究院，北京 100010）

0 引言

隨著單片微波集成電路技術與第三代半導體技術發展，星載固態功率放大器朝著高效率、小尺寸、輕量化的方向發展［1-5］。雷達T/R 組件的關鍵部件中用到大量功率器件，如GaAs/GaN 大功率芯片。該類型功率芯片一般為寬禁帶半導體芯片，其芯片尺寸較小、熱流密度大，在工作中熱耗高達30 W。受產品空間尺寸限制與材料自身導熱能力差的影響，為了將熱量快速散發出去，防止芯片工作時開裂燒毀等失效，一般選擇金屬作為互聯材料，將芯片安裝在鎢銅或銅金剛石等高導熱載體上形成快速傳熱通道，降低工作溫度，降低失效風險。

金錫（Au80Sn20）共晶合金焊料熔點為280 ℃，文獻［1-3］中報道的熱導率為57 W/（m·K）。具有許多優秀的物理特性，如釬焊溫度適中、導熱性能好、無需助焊劑、良好潤濕性、低黏滯性、釬焊強度高、抗氧化性能優良等，能夠耐受熱沖擊、熱疲勞。基于共晶特點，很小的過熱度就可使焊料熔融并潤濕器件。且該合金凝固過程也很快，可大大縮短整個焊接周期、避免芯片高溫停留時間。對于后道選用導電膠粘接的產品，留有足夠裕度的溫度梯度，非常適合作為功率器件的焊接互聯材料，在高可靠氣密封裝中應用廣泛［2-6］。

本文基于國產金錫焊料，對其關鍵特性化學成分、熔點、熱導率進行分析，并采用手動方式進行功率芯片摩擦共晶焊接工藝研究，對功率芯片金錫焊接宇航應用可靠性進行驗證。

1 金錫焊料基礎特性

1.1 化學成分

化學成分是金錫焊料最重要的一個性能指標，雜質含量過高對焊料的抗氧化能力及焊接性能有著不利的影響［7］；金和錫比例偏差過大將導致焊料熔化溫度大幅偏離標稱值。利用元素分析儀、電感耦合等離子質譜儀，參照YS/T 1120—2016［8］金錫焊料的化學成分進行檢測，結果詳見表1。結果顯示3 個批次化學成分中Sn 元素含量為20.11%～20.47%，Au元素含量為79.52%～79.88%，雜質元素含量上限為0.0085%～0.0086%，符合相關標準“Sn：20.0%±0.5%，Au：80.0%±1%，其他雜質的總量不大于0.15%”的要求，國產與進口焊帶各雜質元素含量均＜0.001%。

表1 焊帶化學成分檢測結果Tab.1 The results of chemical composition of solder strip

1.2 熔點

金錫焊料熔點是金和錫原料配比的一個反映，熔點直接影響焊接工藝參數的選擇。利用差式掃描量熱儀、參照GB/T 1425—1996［9］進行熔點檢測，檢測結果表明3 個批次焊料熔點均為281 ℃，與文獻［1-3］報道的相差不大。與進口焊料［圖1（b）］的熔點相差1 ℃。在焊接過程中選擇適當的焊接溫度，可保證焊料熔化和潤濕充分。

圖1 不同焊帶的DSC測試結果Fig.1 The results of DSC test for different solder strips

1.3 熱導率

焊料在大功率器件焊接中不僅起連接作用，還起到優良的導熱作用，熱導率是很重要的一個性能指標。采用機械加工成Φ9.8 mm×δ2.2 mm 的金錫測試樣件，使用DSC 參照ASTM E1269—2011［10］方法進行25 ℃比熱容試驗，檢測結果表明室溫下焊料的比熱容平均值為0.153 J/（g·K）。使用閃射法導熱儀，參照GB/T 22588—2008［11］進行熱擴散系數檢測，得到25 ℃下熱擴散系數平均值為17.305 mm2/s。

根據公式λ=a·cp·ρ計算，式中，λ為熱導率，a為熱擴散系數，cp為比熱容，ρ為密度。計算得到室溫下焊料的熱導率平均值為38.4 W/（m·K）。

2 功率芯片金錫焊接工藝

常見的功率芯片金錫焊接工藝主要包括手動摩擦共晶焊接、設備全自動摩擦共晶焊接、真空共晶焊接。優缺點對比情況見表2。

表2 三種共晶焊接技術的優缺點對比Tab.2 Comparison of advantages and disadvantages of three eutectic welding techiques

手動摩擦焊接靈活性高、貼裝設備全自動摩擦焊接位置精度高、真空共晶焊接更適合批量生產。由于三種焊接方法選用的焊接載體和焊接界面均相同，焊接效果均滿足要求，基于此，可靠性試驗對其焊接質量的影響應相同，選用手動摩擦方式進行共晶焊接可靠性研究。

高質量的焊接可保證功率芯片良好的散熱，其焊接效果評價包括焊接外觀、孔洞率和剪切強度。基于國產焊料進行手動摩擦焊接工藝研究，外觀要求為“焊料不能延伸或飛濺到芯片頂部表面，焊料溢出應大于貼裝件周長的75%，焊料不能出現剝落、起皮、裂紋”；孔洞率要求為“總孔洞率不大于10%，單個空洞不大于3%”；剪切強度滿足相關標準芯片剪切強度要求。

手動摩擦共晶焊接是傳統的成熟焊接工藝。摩擦共晶焊接過程中，使芯片對載體做相對運動。一方面，摩擦使熔融焊料在載體表面潤濕繼而鋪展，鍍層中的金擴散至焊料中發生共晶反應，冷卻后會形成互聯接頭；另一方面，摩擦使焊料受壓沿著焊接面間隙往外作溢出運動，擠出氣體的同時，也去除了接觸面氧化物而實現低孔洞率焊接。根據手動摩擦的特點，主要控制的參數包括焊接溫度、焊料量與摩擦次數。

圖2 手動摩擦焊接示意圖Fig.2 The diagram of manual friction welding

GaAs基毫米波功率芯片最高耐受溫度一般不超過320 ℃。設置不同的焊接溫度進行焊接試驗，結果見表3。

表3 焊接溫度對焊接質量的影響Tab.3 The influence of welding temperature on quality

當熱臺溫度設置在300～305 ℃，焊料熔融迅速、焊接效果良好。采用寬度為1.0 mm、厚度為30 μm的焊片進行焊料量對焊接效果的影響實驗，結果見表4。當焊料量鋪展后面積為芯片面積80%時，可保證良好焊接效果。

表4 焊料量對焊接質量的影響結果Tab.4 The influence of solder quantity on welding quality

同時，通過反復試驗，焊接摩擦次數為8～10 次，在摩擦過程中可確保焊接面光亮平整、有利于實現低孔洞率的焊接質量。當摩擦次數超過10 次時，孔洞率幾乎保持不變，且由于焊接摩擦次數增加，焊接過程中氧化物增多，不利于實現低孔洞率。

3 宇航可靠性驗證

3.1 可靠性試驗設計

對尺寸規格為3.5 mm×4.0 mm×0.08 mm 的GaAs 芯片分別與4.6 mm×3.7 mm×0.25 mm 可伐熱沉、4.6 mm×4.0 mm×0.25 mm 鎢銅熱沉、4.7 mm×3.7 mm×0.30 mm 銅金剛石熱沉，采用手工摩擦方式、使用國產金錫焊料進行熱耗18 W 芯片樣件制作［圖3（a）］，熱沉組件粘接在硅鋁管殼［圖3（b）］便于進行后續可靠性試驗。其中，芯片選用背金砷化鎵芯片；對器件（包括載體、熱沉）表面鍍Ni-Au，Ni 層厚度2.5～5.0 μm，Au層厚度1.3～4.0 μm。

圖3 樣件制作示意圖Fig.3 The schematic diagram of the samples

3.2 可靠性試驗結果

從圖4 焊接樣件外觀看出，表5 的環境試驗前后焊接件外觀均符合檢驗規范要求。3 種樣件的X 光檢測結果見圖5，不同樣件總體孔洞率最大值僅為1.5%，滿足小于10%、單個孔洞小于3%的要求。

圖4 焊接樣件Fig.4 The results of the welding specimen

表5 可靠性環境試驗Tab.5 Reliability environment test

圖5 不同組合樣件的孔洞率檢測結果Fig.5 The hole rate results of various welding samples

采用Dage4000Pluse 進行剪切強度測試，采用X光機進行孔洞率檢測。環境試驗見表6，按順序依次進行環境試驗。從表6剪切力測試結果看出，可靠性試驗后焊接件剪切強度均滿足規范要求，焊接件在剪切時失效模式均為芯片被推碎、芯片殘留面積均大于50%，芯片-可伐焊接件剪切最小力為42.04 N、平均為58.21 N；芯片-鎢銅焊接件剪切最小力為64.48 N、平均為75.4 N；芯片-銅金剛石焊接件剪切最小力為71.74 N、平均為93.84 N，滿足相關標準要求。

表6 環境試驗后焊接樣件剪切強度1）Tab.6 The shear strength of the welding specimen after the environmental tests1）

不同組合隨機選擇一個樣件進行制樣，并進行電鏡掃描，典型結果見圖6。對比文獻［7］中報道的，所檢焊點除微小孔洞外，焊料狀態及合金層形態無異常。進一步表明Au80Sn20 焊料在母材表面的潤濕性良好，保證了高質量焊接。對合金層厚度進行測量，不同樣件芯片側的IMC（即金屬間化合物）厚度不明顯，熱沉側IMC在0.29～1.26 μm，說明芯片和熱沉之間通過金錫焊料形成有效的合金層。

圖6 樣件的SEM結果Fig.6 The SEM results of the specimen

4 結論

（1）國產金錫焊帶化學成分中Sn 元素含量為20.11%～20.47%，Au 元素含量為79.52%～79.88%，符合相關標準的指標要求。3 個批次焊料熔點均為281 ℃，與進口相差不大。室溫下焊料熱導率平均值為38.4 W/（m·K）。

（2）基于國產焊料、采用手動摩擦方式進行共晶焊接工藝研究，得到關鍵影響參數：焊接溫度設300～305 ℃、焊料焊料量鋪展后面積為芯片面積80%、焊接摩擦次數為8～10次。

（3）功率器件金錫摩擦焊接后，總孔洞率小于10.0%、單個孔洞率小于3.0%。經歷一系列嚴苛的環境熱力學試驗，剪切強度滿足要求，SEM 結果顯示焊接界面為典型的金錫焊接結果、焊點無異常。