功率芯片高焊透率二次共晶焊接工艺技术研究

郝成丽 王 曦 查家宏 邵明坤



功率芯片高焊透率二次共晶焊接工艺技术研究

郝成丽 王 曦 查家宏 邵明坤

（北京华航无线电测量研究所，北京 100013）

介绍了功率芯片二次共晶工艺中焊料选型对共晶工艺的影响。通过对共晶后的试验件进行焊透率、剪切强度测试，试验结果发现使用In-15Pb-5Ag焊料和Sn-37Pb焊料进行二次共晶后的样品，其焊透率全部达到了90%以上，且剪切力均符合GJB548B“方法2019.2 芯片剪切强度”中的相关要求。

二次共晶；焊透率；剪切强度

1 引言

现阶段，在对微波产品进行MMIC芯片组装时，许多研究所为满足裸芯片的良好接地、安装高度匹配及热匹配等工艺性能要求，通常采用在钼铜镀金载片上粘接或共晶焊接芯片后再将载片整体环氧粘接在壳体内的工艺方法。可是目前通过越来越多的产品失效案例发现，受限于环氧导电粘接胶本身的材料特性，在产品长期存放及使用过程中，不可避免地会出现机械强度下降、电气性能退化等问题，从而导致最终产品失效。为此开展针对已共晶功率芯片的钼铜载片同结构壳体低温共晶焊接的工艺技术研究，摸索、掌握合理有效的高可靠性工艺实现方法取代现有的环氧导电粘接方式，从而进一步提升微波产品的长期可靠性提供装配技术保障显得尤为重要。

2 关键技术

多温度梯度焊接工艺，通常是指在焊接过程中使用几种不同熔点温度的焊料，按照焊料熔点温度递减的顺序原则，从而逐级梯度焊接，最终实现微波MMIC芯片与载片、载片与结构壳体高可靠连接的一种工艺技术。多温度梯度焊接工艺是有效解决高频微波模块射频接地、散热的重要工艺途径[1]。

从目前了解来看，一次共晶采用的焊料一般为Au-20Sn（熔点：280℃）和Au-27Ge（熔点：356℃），因此，二次共晶选择的焊料熔点温度应该低于以上钎料熔点20～50℃。经过调研，最终选定Sn-52In（熔点：120℃）、In-15Pb-5Ag（熔点：154℃）、Sn-37Pb（熔点：183℃）、Sn-3.5Ag（熔点：221℃）四种焊料进行二次共晶工艺验证试验。

3 试验过程

印制板槽体长度设计了1mm的缝隙尺寸（图1中a+b），缝隙宽度确定为150µm。试验之前将壳体浸没在无水乙醇溶液中超声清洗15min，用手术刀在显微镜下将印制板挖出不同尺寸的槽体，然后将印制板采用H20E导电胶粘接于壳体上，铺上滤纸，压块压实，置于120℃烘箱中保温3h。保温结束后，在显微镜下清除槽体边界留溢出的导电胶，确保焊接面干净与平整。

图1 印制板槽体缝隙长度尺寸设计图

采用四种共晶焊料分别进行二次共晶试验，加热台设定高于焊料熔点20～50℃，首先将焊料涂覆在某一镀金平板上，用刮板刮平，用镊子夹住钼铜载片进行摩擦数次，待其冷却后确保载片一面搪的焊料光亮平整。将壳体置于加热台上，预热完成后，在壳体的印制板槽体中涂覆共晶焊料，用刮板刮平，用镊子清除刮到槽体边界已经氧化的焊渣。将一面搪过焊料的钼铜载片夹到槽体中间，预热5s，用镊子夹住钼铜载片，保持载片处于水平位置，小心摩擦5s左右，从加热台取下，完成二次共晶过程。为了排除由于人工操作带来的实验结果随机性，每种焊料设计15个样品进行试验。

由于Sn-52In和Sn-3.5Ag焊料在金层表面的润湿性不好，因此在钼铜载片以及壳体预涂覆焊料的过程中需要借助助焊剂来增加焊料的润湿性，由于焊料中自带或人为添加的助焊剂会严重影响焊透率，为了清除助焊剂，在壳体预涂覆焊料后采用汽相清洗。

4 试验结果

4.1 焊透率

对使用Sn-52In、In-15Pb-5Ag、Sn-37Pb和Sn-3.5Ag四种焊料进行二次共晶试验后的样品进行X光检测，如图2所示。从图中可以看出，使用Sn-52In和Sn-3.5Ag焊料进行二次共晶试验，虽然壳体预涂覆焊料后进行了清洗，但总有一些助焊剂残留，这些助焊剂的存在导致样品的焊透率较低。

a Sn-52In b In-15Pb-5Ag c Sn-37Pb d Sn-3.5Ag

a Sn-52In b In-15Pb-5Agc Sn-37Pb d Sn-3.5Ag

表1 不同焊料二次共晶样品焊透率分布表

对每种焊料二次共晶后的15个样品的焊透率进行概率分布统计，如图3和表1所示。

由此可见，使用In-15Pb-5Ag或Sn-37Pb焊料进行二次共晶样品的焊透率比使用Sn-52In、和Sn-3.5Ag焊料进行二次共晶样品的焊透率分布要更加集中稳定，而且焊透率更高。

4.2 剪切性能

对使用Sn-52In、In-15Pb-5Ag、Sn-37Pb和Sn-3.5Ag四种焊料进行二次共晶试验后的样品进行剪切性能测试，将不同焊料二次共晶后的7个样品的剪切力进行概率分布统计，如下图4和表2所示。

a Sn-52In b In-15Pb-5Agc Sn-37Pb d Sn-3.5Ag

表2 不同焊料二次共晶样品剪切力分布表

根据GJB548B“方法2019.2 芯片剪切强度”中的相关要求，钼铜载片尺寸为3.6mm×5.8mm，其剪切力要大于5kg才能符合标准，从表2数据来看，以上剪切力数值均符合标准，同时可以看出，Sn-37Pb和Sn-3.5Ag焊料二次共晶后的样品剪切力要远远大于Sn-52In和In-15Pb-5Ag焊料二次共晶后的样品剪切力，这一结论与焊料本身的强度有很大的关系。下面将对剪切断口进行SEM观察，得出其断裂模式。

焊料和基板之间一旦发生润湿，焊料和基板之间的界面反应就开始了。焊料和基板在钎焊过程中形成的金属间化合物IMC（Intermetallic compound）对焊点结构的可靠性有较大的影响，界面层的金属间化合物特性脆弱，与母材的热膨胀系数、弹性模量存在很大的差异，容易产生裂纹。

图5 二次共晶后的试验样品纵切面模型图

二次共晶后的试验样品纵切面模型图如图5所示，焊料与壳体和钼铜载片之间的界面反应主要是与Au的反应，对于Sn基焊料与Au的反应，据有关文献介绍[2～4]主要为AuSn4和AuSn2的化合物，当然，也会有其他相的生长，例如，浙江省钎焊材料与技术重点实验将InSn49钎料与镀Au/Ni 的Cu 基焊盘在140℃时进行钎焊时发现因为AuIn2的反应活化能要比AuSn4和AuSn2高，在相同条件下，Au 更容易和In 反应生成AuIn2[5]。

剪切后的焊接断面焊接断裂主要有三种断裂模式，如图6所示。其中，断裂模式I是断裂发生在焊料/IMC界面处，在焊接断面上可以观察到在IMC表面部分残留着少量的焊料，同时还伴随着部分IMC断裂。这种断裂方式以脆性断裂为主，如图6a所示；断裂模式II是断裂发生在焊料基体处，但是由于焊料基体的强度较低，因此断面较为平整，如下图6b所示；断裂模式III也是断裂发生在钎料基体处，但是钎料基体的强度较高，裂纹走过的路径较长，表面粗糙不平，有撕裂的痕迹，如图6c所示。

a 断裂模式I b 模式II c 断裂模式III

对Sn-52In、In-15Pb-5Ag、Sn-37Pb和Sn-3.5Ag四种焊料二次共晶样品剪切断口进行SEM观察，设备型号为EVO®MA/LS系列扫描电子显微镜。由图7可以看出，断裂发生在焊料基体或焊料基体与IMC界面处，符合断裂模式I。

a Sn-52In b In-15Pb-5Ag c Sn-37Pb d Sn-3.5Ag

Sn-52In焊料二次共晶样品剪切断口SEM图如图7 a所示，对左图中方框位置放大进一步观察可以得到右上角SEM图，对该图进行元素面扫，其元素分布及含量可参看右下角元素能谱图。

Au重量百分比达到了5.32%，可见，部分断裂发生在了IMC界面处。而Au元素在断口左侧区域中分布较多，而且断口相对平滑，这是因为IMC颗粒较小，因此在该放大倍数下，断口显得平滑，该处为IMC断裂处。

由图7a和图7b右上角SEM图可以看出，Sn-52In和In-15Pb-5Ag焊料二次共晶样品剪切断口断裂在焊料基体处的区域相对平滑，断口呈现出穿晶断裂特征，撕裂棱不明显，断裂过程中裂纹穿过晶粒进行拓展，表现出脆性断裂倾向。

由图7c和图7d右上角SEM图可以看出，断裂发生在焊料基体处的区域相对粗糙，撕裂棱相对明显，在断裂过程中，裂纹走过的路程较长，需要的能量更多，因此在剪切过程中需要的能量要比Sn-52In和In-15Pb-5Ag焊料多，因此剪切力较大。

5 结束语

Sn-52In为低温焊料，主要应用于温度敏感器件的SMT，其同系温度（绝对工作温度与绝对熔点温度的比值）不低于0.5，在极低温度下便会发生蠕变，导致器件的疲劳破坏，因此不适合于微波电路的封装工艺。Sn-3.5Ag的二次共晶温度要大于其熔点温度，而微波电路中许多器件在芯片共晶前已使用Sn-37Pb焊料进行焊接，因此微波电路在二次共晶过程中其焊点不可避免的会发生重熔，最终导致IMC层的增厚，降低可靠性。

而使用Sn-37Pb或In-15Pb-5Ag焊料既可以保证样品的焊透率，剪切力符合相关标准，同时合理地选择焊料，其二次共晶使用温度又不会导致电路焊点重熔，为二次共晶工艺最佳焊料选择，可以满足于不同的梯度焊接需求，为进一步提升微波产品的长期可靠性提供装配技术保障。

1 罗红媛. 多温度梯度焊接工艺技术[J]. 电子工艺技术，2013，3 (34)：167～186

2 李福泉，王春青，杜淼，等. SnPb 钎料与AuNiCu 焊盘反应过程中Au 的分布[J]. 焊接学报，2006，27(1)：53～6

3 Wei Anrong, Wang Chunqing. Evolution of AuSnx intermetallic compounds in laser reflowed micro-solder joints[J]. China Welding, 2011, 20(1): 7～11

4 Liu Wei, Wang Chunqing, Tian Yanhong. Effect of Zn addition in Sn-rich alloys on interfacial reaction with Au foil[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2008, 18(3):17～22

5 赵杰，钟海峰，刘平，等. SnIn钎料与Au/Ni/Cu钎焊界面金属间化合物的研究[J]. 焊接，2016(3)：18～21

Study of High Soldering Area Ratio on Second Eutectic Soldering Process of Power Chip

Hao Chengli WangXi Zha Jiahong Shao Mingkun

(Beijing Huahang Radio Measurement and Research Institute, Beijing 100013)

In the present work, the effects of the type of solder on eutectic soldering process were given. The soldering area ratio and shear strength of the samples were tested. The result showed that the soldering area ratio of the samples after eutectic soldering with In-15Pb-5Ag or Sn-37Pb was up to 90%, and the shear strength measured up to the standards of die strength in GJB 548B.

second eutectic soldering；soldering area ratio；shear strength

郝成丽（1991），工程师，电子装联专业；研究方向：微组装装配工艺技术。

2017-11-20