真空共晶焊接工艺参数对焊点空洞率的影响

庞天生，陈小勇

(桂林电子科技大学 机电工程学院，广西 桂林　541004)



真空共晶焊接工艺参数对焊点空洞率的影响

庞天生，陈小勇

(桂林电子科技大学 机电工程学院，广西 桂林541004)

为了降低大功率芯片的焊点空洞率，改善大功率芯片的散热效果，运用ANSYS软件建立了砷化镓芯片与热沉的焊接三维有限元仿真模型。通过单因素试验设置镀金层厚度、降温速率和升温速率进行仿真，分析工艺参数对焊点空洞率的影响规律，得到最小的焊点空洞率工艺参数组合。仿真结果表明，对真空共晶焊焊点空洞影响最显著的是降温速率，其次是镀金层厚度，升温速率无影响，真空共晶焊焊点空洞率最小的工艺参数组合为镀金层厚度8 μm、降温速率1.5 ℃/s、升温速率0.7～1.1 ℃/s。

真空共晶焊；空洞；空洞率；工艺参数

随着各种电子产品的普及，功率器件得到了广泛应用，电子系统的集成度也越来越高。电子系统的高度集成化必然带来高热量。虽然可采用新型的焊接方式及散热方式进行散热，但对于高度集成化的大功率器件或系统仍然不够，焊接空洞仍然是影响芯片散热的主要因素之一[1]，如在大功率芯片真空共晶焊时，降温速率过大会增大焊点空洞率，芯片焊接面空洞会导致接触热阻(导热系数的倒数)变大，芯片产生的热量不能及时散发出去，从而可能引起器件烧毁失效[2]。因此，需寻求控制焊接空洞率的新方法。GJB 548B―2005规定：焊接接触区空洞超过整个长度或宽度范围，并且超过整个预定接触面积的10%为芯片的不可接收标准[3]。因此，应用于大功率芯片的真空共晶焊的焊点空洞率应低于10%，这就需要对真空共晶焊工艺参数进行优化，以满足大功率芯片的散热需求。鉴于此，通过有限元软件ANSYS建立真空共晶焊芯片的三维模型，研究真空共晶焊工艺参数对该模型焊料层焊点空洞率的影响规律，优选后得到真空共晶焊焊点空洞率最小的工艺参数组合。

1　真空共晶焊焊料本构模型

真空共晶焊采用的是金锡焊料Au80Sn20，金锡焊料具有高导热率、高焊接强度和无需助焊剂焊接等优点[4]。仿真软件中金锡焊料采用广义的Anand本构模型[5]。用Anand本构模型表示粘塑性属性的基本形式为[6]：

其中：σ为等效应力；c为杨氏模量，在恒应变率下为常数；s为形变阻抗。

2　仿真模型

热沉钨铜合金W90Cu10被用作基板与芯片的中间层。热沉是一种高导热材料，用于焊料和基板的连接，使得芯片的热量能够快速传递到基板。模型由上至下为：芯片、焊料层(采用焊料片)、镀金层、镀镍层、W90Cu10，芯片的厚度为0.1 mm，长宽为2 mm×1 mm，其中焊料片、镀金层和镀镍层与芯片的长宽相同，焊料片的厚度为0.025 mm，镀镍层为0.005 mm，钨铜合金的厚度为0.2 mm，长宽为3 mm×1.1 mm。为了研究芯片与焊料片、焊料片与钨铜合金之间的空洞，简化了基板，模型的纵向剖切如图1所示。模型的网格划分如图2所示。

根据真空共晶焊工艺，镀金层是指处在焊料片与薄膜金属化层(镀镍层)中间的起浸润焊料和防止焊料扩散的镀层，其厚度对焊接质量起关键作用。薄膜金属化层具有易粘附焊料、阻挡焊料扩散和易焊的作

图1　模型纵向剖切Fig.1　Longitudinal cutting of model

图2　模型网格划分Fig.2　Mesh generation of geometric model

用。仿真时，考虑到芯片的焊接在真空炉的热板上进行，将热量载荷施加在热沉钨铜合金的表面。边界条件是对模型的钨铜合金底面施加X、Y、Z三个方向的固定位移约束。

由于仿真软件难以自行生成空洞，且仿真后空洞会变大、变多，故预置的空洞率应小于10%。本研究在焊料层预置空洞率为8.128%的空洞。预置空洞后的焊料层横向剖切如图3所示。预置空洞为圆柱状，因焊料层边缘易出现较大的空洞[7]，故在焊料层边缘处预置大空洞。

图3　焊料层横向剖切Fig.3　Cross cutting of solder layer

三维模型中，变形后的空洞体不规则，其截面面积无法提取，若把空洞预置成长方体或者圆柱体，厚度小于25 μm，则近似空洞率S′≈(V1-V2)/V1。其中：V1为焊接前焊料片体积；V2为焊料层有效体积，即可实现焊料层导热功能的区域。V1与V2的差值为焊料层空洞的体积。

3　仿真分析

3.1典型真空共晶焊焊接工艺

真空共晶焊焊点空洞考虑镀金层厚度、降温速率和升温速率3个主要工艺参数[8]，通过单因素试验进行仿真，分析工艺参数对焊点空洞率的影响规律，进而得到最小的焊点空洞率工艺参数组合。通过有限元仿真分析真空共晶焊焊接工艺对焊点空洞的影响，得到一组工艺参数下的焊点空洞情况。真空共晶焊工艺参数组合为：镀金层厚度4.5 μm，降温速率1.75 ℃/s，升温速率0.9 ℃/s，仿真结果提取组件整体位移如图4所示。

图4　模型整体位移分布Fig.4　Integral displacement distribution of model

3.2真空共晶焊焊接工艺参数对焊点空洞的影响

为了方便对每个工艺参数进行试验，并且能对每个工艺参数的多个值进行试验，以上述典型真空共晶焊工艺参数组合为参考，通过单因素试验设置镀金层厚度、降温速率和升温速率，分析焊料层空洞率的变化规律，进而得到最小的焊点空洞率工艺参数组合。根据相关项目的推荐，镀金层厚度取1、2.5、4.5、6、8 μm，降温速率取1.5、1.6、1.75、1.8、2.0 ℃/s，升温速率取0.7、0.8、0.9、1.0、1.1 ℃/s，得到各工艺参数下焊接后的空洞率，结果如图5所示。

从图5可看出，焊点空洞率随着镀金层厚度的增加呈抛物线变化，镀金层厚度为1～2.5 μm时，空洞率随镀金层厚度增大而减小；镀金层厚度为2.5～4.5 μm时，空洞率随镀金层厚度增大而增大；镀金层厚度为4.5～6 μm时，空洞率随镀金层厚度增大而减小；镀金层厚度为6～8 μm时，空洞率随镀金层厚度增大而增大；镀金层厚度为8 μm时，空洞率最小。随着降温速率的增加，空洞率增大，当降温速率增大到1.8 ℃/s时，空洞率不再变化，趋于稳定。不同的升温速率下，空洞率始终不变，因此升温速率对空洞率的影响较小。

图5　镀金层厚度、降温速率和升温速率对空洞率的影响Fig.5　The influence of gold plated layer thickness, cooling rate and heating rate on void ratio

4　真空共晶焊参数优化

综上所述，真空共晶焊焊接工艺过程中，降温速率是影响空洞率的主要因素，镀金层厚度次之，升温速率影响最小，所以真空共晶焊的镀金层厚度优选为8 μm，降温速率优选为1.5 ℃/s，由于升温速率对焊点空洞率几乎无影响，又根据相关项目的推荐数值，故升温速率优选0.7～1.1 ℃/s，仿真后的焊点空洞率为8.140%，达到了最小的焊点空洞率。

5　结束语

利用ANSYS软件仿真分析真空共晶焊焊接工艺参数对焊点空洞的影响。分析结果表明，降温速率是空洞形成的主要因素，随着降温速率增大，空洞率持续增加，降温速率增大到1.6 ℃/s后空洞率达到一个稳定的水平，即8.148%；镀金层厚度是空洞形成的次要因素，在1～8 μm范围内空洞率随着镀金层厚度呈抛物线变化，最小空洞率为8.147%；升温速率对空洞的形成影响不显著，空洞率保持不变。优选得到了真空共晶焊焊点空洞率最小(8.140%)的工艺参数组合：镀金层厚度为8 μm，降温速率为1.5 ℃/s，升温速率为0.7～1.1 ℃/s。

[1]殷录桥.大功率LED先进封装技术及可靠性研究[D].上海：上海大学，2011:2-3.

[2]王振雄.功率器件的封装失效分析以及静电放电研究[D].上海：复旦大学，2009:16-17.

[3]中国人民解放军总装备部.GJB 548B―2005 微电子器件试验方法和程序[S].北京：总装备部军标出版发行部，2006:178-179.

[4]吴懿平.金锡合金焊料的性能[J].环球SMT与封装，2008(7):8-10.

[5]张国尚.80Au/20Sn钎料合金力学性能研究[D].天津：天津大学，2010:44-45.

[6]ANAND L.Constitutive equations for hot working of metals[J].International Journal of Plasticity,1985,20(6):213-231.

[7]孙磊，刘哲，樊融融.无铅再流焊接PBGA空洞缺陷研究[J].电子工艺技术，2009,30(2):74-78.

[8]巫建华.薄膜基板芯片共晶焊技术研究[J].电子与封装，2012,12(6):4-8.

编辑：张所滨

Influence of vacuum eutectic welding parameters on void fraction of solder joint

PANG Tiansheng, CHEN Xiaoyong

(School of Mechatronic Engineering, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004,China)

In order to reduce the solder joint cavity rate of high power chip and improve the heat dissipation effect, a three dimensional finite element simulation model for the welding of GaAs chip and heat sink is established by ANSYS software. Gold plating layer thickness, cooling rate and heating rate are set in the single factor experiment to analyze process parameters influence on solder joint void rate, the smallest solder joint void rate combination of process parameters is gotten. The research result shows that the cooling rate is the most significant factor on the solder void of vacuum eutectic solder, the influence of the gold plating layer thickness is second, and the void ratio remains unchanged as the heating rate increases. Vacuum eutectic welding solder joint void rate minimum combination of process parameters is obtained: plating layer thickness is 8 μm, the cooling rate is 1.5 ℃/s, a heating rate is 0.7-1.1 ℃/s.

vacuum eutectic welding; void; void ratio; process parameter

2016-03-05

预研项目“多能量***研究”

陈小勇(1984-)，男，河南济源人，讲师，研究方向为电气互联技术。E-mail:155310974@qq.com

TN605

A

1673-808X(2016)03-0190-04

引文格式： 庞天生，陈小勇.真空共晶焊接工艺参数对焊点空洞率的影响[J].桂林电子科技大学学报，2016,36(3):190-193.