混合集成电路组装中的共晶焊技术

杨宗亮，俸绪群（.中华通信系统有限责任公司河北分公司，河北石家庄，05008；.河北诺亚人力资源开发有限公司，河北石家庄，050035）



混合集成电路组装中的共晶焊技术

杨宗亮1，俸绪群2
（1.中华通信系统有限责任公司河北分公司，河北石家庄，050081；2.河北诺亚人力资源开发有限公司，河北石家庄，050035）

共晶焊是元器件组装的一种重要方式，在混合集成电路组装中有着重要的地位。阐述了共晶焊的概念及其特点，比较了镊子共晶焊等共晶焊设备的优缺点，介绍了相关共晶焊料的基本特性和常用形态，分析了影响共晶焊质量的相关关键因素，并讲解了共晶质量的检测方法。

共晶焊；混合集成电路；剪切力

0　引言

共晶焊是指使用共晶合金进行的焊接。在混合集成电路组装过程中，共晶焊技术是将裸芯片、厚薄膜电路基板组装到金属载体上或腔体内的主要方法之一。共晶焊的基本工艺过程为：先根据芯片面积大小，将选用的共晶焊片切割成型（也可与厂家定制相应尺寸的焊料片），然后置于芯片与基板之间，在惰性气体保护或真空环境下加热至其熔点，以实现两者间的牢固焊接，并形成良好的电接触。与环氧粘接等其它组装方式相比，共晶焊具有连接电阻小、传热效率高、散热均匀、焊接强度高、工艺一致性好等优点，在功率、高频以及对元件安装有高可靠要求的混合集成电路中颇具应用价值。

1　共晶焊设备

在混合电路微组装工艺过程中，常用的共晶焊设备有手动镊子共晶焊机、手动吸头式共晶焊机、真空/可控气氛共晶炉和自动共晶焊机等。不同的设备各有其优缺点，分别适用于不同的应用环境。

镊子共晶焊机采用镊子来夹取芯片，针对不同尺寸的芯片，只需调整镊子的开口大小即可。但由于镊子的夹持面积较小，容易产生芯片夹持不稳或对芯片造成损伤，特别是对尺寸大、厚度薄的芯片更是难以实现良好的共晶。因此镊子共晶焊机只适用于对共晶质量要求不高，且生产任务较紧的场合。

手动吸头式共晶焊机由于采用特制的真空吸头来吸取芯片，可避免镊子在夹取芯片时的崩边、崩角现象。某些设备采用特制的工作台为共晶提供了良好的共晶环境，从而大大提高了共晶质量，同时由于设备操作灵活，共晶过程中可充分的摩擦润滑，共晶强度高。但针对不同尺寸的芯片需定做相应的真空吸头，特别是对表面有空气桥的芯片，更是需要芯片与吸头的一一对应。

真空/可控气氛共晶炉需要专门的夹具来固定芯片，一次可共晶多片芯片，适合较大批量生产。在共晶焊时可抽真空并可对气氛进行控制，减少了共晶焊接空洞，同时能提供精确的工艺曲线，提高了共晶焊质量。但共晶过程中由于芯片和载体间没有摩擦，共晶强度较手动摩擦共晶要低，且每种芯片都需设计专门的夹具，夹具的设计制造周期较长、成本较高。

自动共晶焊机的工作原理与手工吸头式共晶焊机类似，只不过其所有的操作（全自动设备可自动上下料，半自动设备需人工上下料）都可自动完成，包括焊料片的自动对位、吸取和放置；芯片的自动对位、吸取、放置和摩擦；加热台温度、吹起和抽真空的自动控制等。由于该类设备的操作都为自动运行，所以设备的优点为共晶的精度和效率都比较高。因为设备只有一个吸头，一次就只能完成一片芯片的共晶，所以在多芯片组件共晶时，就存在前期共晶芯片高温停留时间过长可能损坏芯片的问题。同时该类设备价值较高，也存在经费投入大的问题。

2　共晶焊料

共晶合金的基本特性是：两种或多种不同的金属可在远低于各自的熔点温度下，按一定比例形成共熔合金，这个较低的温度即为它们的低共熔点。常用的有锡铅（SnPb）、金锡（AuSn）、金硅（AuSi）、金锗（AuGe）等。各种焊料的共晶温度和电气机械性能如表1：

焊料的形态有膏状和片状两种，但大部分人选用片状，且为预成型片（如图1）。

图1　预成型焊料片

3　影响共晶焊质量的关键因素

焊料的特性、芯片与载体的表面状态和共晶参数等都会对共晶质量造成影响，其中关键的影响因素有：

（1） 共晶焊料。在实际工作中，焊料的选用非常关键。焊料的选用通常要综合考虑焊接面（基板背面及外壳表面）金属化层的材料种类及厚度、焊接工序、焊后电气机械性能、器件及基板的热承受能力等诸多因素。考虑焊接工序主要是指当有阶梯焊要求时，先行焊接的要采用共晶温度较高的焊料。选择成分准确稳定、无氧化、表面平整的焊料，能够有效的减少空洞缺陷的发生率。

（2） 表面镀层。为了提高共晶面的浸润性和共晶质量，需要在芯片和基板的共晶面涂镀镀层。一般的镀层材料为金。金层的厚薄、致密程度以及焊接时能否耐焊接高温，都直接影响芯片共晶焊接的可靠性。一般，镀金层的厚度至少要1μm～2μm，才能获得良好的共晶效果。且镀金层下还需打镍底，以提高镀金层的耐焊性。

（3） 表面清洁度。共晶焊片在熔融状态时与载体焊区导体和芯片背面金属化层的浸润是实现共晶焊的基础。若共晶界面被有机残余物、无机盐类沾污或被氧化，则会直接影响焊片在共晶界面的浸润能力，造成共晶合金不能完全扩散，以致难以形成有效的共晶焊接。因此，在焊接前必须去除共晶界面的各种沾污，具体方法包括：超声清洗、化学清洗、等离子清洗和机械清洗等。不仅基板和芯片需要清洗，若焊料出现氧化（氧化膜较厚），在共晶焊接前也需要清洗。清洗干净后的工件应当存放在氮气保护柜中进行保护。

（4） 共晶环境。良好的共晶环境可避免共晶焊料和共晶面在空气中很快发生的氧化，表面氧化物的存在将会降低表面活能、降低焊料的湿润性而使焊料在表面上的附着性变差。良好的共晶环境为惰性气体保护或真空。

（5） 共晶温度。由于热量传递条件、温度测量误差等的影响，设置的焊接温度通常要高于合金的熔点。当焊接载体导热性较差或热容量较大时，焊接温度要适当的提高，预热时间也要延长。在加入保护气体时，保护气体也要适当加热，以免降低焊焊接区域的温度。但是，焊接温度不宜过高，否则会使芯片特性变坏（如：击穿电压下降）。通常情况下，在共晶焊接中焊接温度要高于共晶温度30℃-50℃。在保证焊接效果的前提下，应使焊接温度保持时间尽可能短。

（6） 焊接压力。焊接压力一方面可以使母材与焊料形成紧密的接触，有利于接触反应融化的进行，同时由于焊料受到挤压沿着焊面间隙外溢活动，不仅有利于挤出气体，而且有利于挤出因受压而破碎的表面氧化物，从而降低空洞率。此外，适当的焊接压力能够防止焊料收缩，减少芯片边缘地区空洞缺陷的发生率。

4　共晶质量的检测

影响共晶质量的因素较多，且某些因素不可控，因此为了保证最终产品的质量，需对其共晶质量进行必要的检测。主要的检测方法有：

（1） 外观检查。采用体式显微镜对共晶焊外观进行检查，检查的内容主要有：共晶芯片的型号、平面布局或焊接取向是否符合图纸要求；共晶面边缘是否存在缝隙；共晶焊料是否溢出焊区而接近临近的导带、键合区或器件；焊料颜色是否有异常等。

（2） 剪切力测试。产品应抽样进行剪切力测试。应用剪切力测试仪，按照相应标准要求对芯片进行破坏性的剪切力测试，抽样剪切力测试应满足标准要求。

（3） 空洞率测试。为了保证产品质量，建议所有产品都进行空洞率的测试。X光机和超声扫描检测设备都可对共晶焊接空洞率进行检测，且均为无损检测。因为共晶焊料层的厚度很薄，所以在利用X光进行检测时，为了获得较高的成像对比度，需精确的调节电压、功率和图像处理方式等参数。对铜等高密度材料载体上的共晶，由于需要很高的电压和功率才能穿透载体，所以使用X光机很难获得清晰的空洞图像。超声扫描检测设备是利用超声波的反射、透射机理来进行检测的，因超声在空气中的传播损耗较大，超声扫描需在液体（水或酒精等）中进行。空洞率的测试图如图2所示。

图2　空洞率测试图片

（4） 电性能测试。最后对器件进行电性能测试，检测电性能是否满足设计需求。

5　结束语

共晶焊技术在混合集成电路组装过程中应用广泛，但影响共晶焊质量的因素较多。设计和工艺人员应根据实际产品需求合理的进行产品设计、焊料的选择、工艺参数的优化，并对产品进行严格的质量检测与分析，以获得更高的共晶质量。

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The Eutectic Soldering Technology of the Assembling in Hybrid Integrated Circuit

Yang Zongliang1，Feng Xuqun2
（1.China Communication System Co.， Ltd. Hebei branch，Shijiazhuang，050081，China；2.Hebei Noah Human Resource Development Co.Ltd.，Shijiazhuang，050035，China）

Eutectic soldering is one important way of assembly of components.It plays an important role in the assembly of hybrid integrated circuits.This thesis describes the concept and characteristics of eutectic soldering，compares the advantages and disadvantages of eutectic soldering equipment，such as tweezers eutectic equipment.The basic characteristics and common form of solder are introduced.Analyzes the key factors which influencing eutectic quality，and explain the test method of eutectic quality.

Eutectic soldering；Hybrid integrated circuit；Shearing force

杨宗亮（1981- ），男，毕业于桂林电子科技大学，工程师，主要从事微波组件或模块的组装技术研究工作。