轉(zhuǎn)自高速射頻百花潭  胡永芳 韓宗杰

文中采用自動(dòng)化手段研究了大功率微波芯片共晶焊接技術(shù)，分別對(duì)影響微波芯片焊接焊透率的預(yù)置焊料、溫度曲線、氮?dú)獗Ｗo(hù)氣氛、摩擦次數(shù)等影響因素開展了研究。通過在MoCu熱沉上預(yù)置焊料，采用優(yōu)化的共晶焊接溫度曲線，施加一定流量的氮?dú)獗Ｗo(hù)，采用合適的共晶焊接摩擦次數(shù)，最終獲得了具有良好焊透率的大功率微波芯片共晶焊接模塊。焊接位置精度能夠控制在 (25 ± 5) μm 范圍內(nèi)。文中還完成了焊后大功率微波芯片模塊的熱循環(huán)試驗(yàn)，進(jìn)行了微波芯片的剪切力測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果顯示共晶焊接焊點(diǎn)剪切力滿足 GJB 548B—2005 的要求，表明采用優(yōu)化的工藝參數(shù)獲得的大功率微波芯片共晶焊接模塊具有很高的可靠性。

大功率 GaAs 微波器件因其優(yōu)越的性能而在相控陣?yán)走_(dá)、微波通信系統(tǒng)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。大功率GaAs 微波芯片體積小，重量輕，具有優(yōu)良的高頻特性及高可靠性，已成為有源固態(tài)相控陣?yán)走_(dá) T/R 組件的關(guān)鍵器件 。

微波電路通常頻率較高，因此芯片的接地狀況影響著電路串?dāng)_和插入損耗，同時(shí)也帶來了附加電容與振蕩。微波組件發(fā)射部分的大功率微波芯片的 GaAs基體材料導(dǎo)熱性能差，因此大功率微波芯片與基體（基板）的連接必須要有良好的微波接地能力（低歐姆接觸）和良好的散熱能力，選用合金焊料進(jìn)行共晶焊接是國內(nèi)外一致采用的芯片貼裝方式 。在大功率微波芯片共晶焊接效果評(píng)價(jià)中，焊透率（被釬接面積/需焊接面積）直接反映了接地效果和散熱能力，是整個(gè)焊接技術(shù)的重要指標(biāo)。

本研究采用自動(dòng)化手段實(shí)現(xiàn)大功率微波芯片高可靠共晶焊接，對(duì)影響大功率微波芯片焊接焊透率的溫度曲線、焊片尺寸、氮?dú)獗Ｗo(hù)氣氛、摩擦次數(shù)等影響因素分別進(jìn)行了研究，以期獲得大功率微波芯片共晶焊接良好的焊透率。

01

試驗(yàn)

試驗(yàn)原理

選用 Au80Sn20 焊料進(jìn)行共晶焊接，Au-Sn 二元合金相圖如圖 1 所示。共晶熔點(diǎn)為 280? C，釬焊溫度為 300? C～ 310? C，比共晶熔點(diǎn)高出 20? C～ 30? C。共晶成分為w( Au ) = 80 %，w( Sn ) = 20 %，共晶組織由密排六方晶格的 ζ 相和六方晶格的 δ 相金屬間化合物組成，其共晶反應(yīng)方程式為：

圖 1 Au-Sn 合金相圖

1.2試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料包括：

1）GaAs微波芯片，厚 0.08 mm；

2）模擬匹配陶瓷片為 Al 2 O 3 ，厚 0.5 mm，待焊接面鍍金；

3）熱沉為Mo70Cu30合金，厚 0.4 mm。

1.3試驗(yàn)方法

依據(jù)金錫共晶焊接的原理，同時(shí)考慮到大功率微波芯片的散熱要求和熱膨脹系數(shù)匹配以及微波電路系統(tǒng)組裝焊接的兼容性（分級(jí)焊接），研究預(yù)置共晶焊料、焊接溫度曲線、氮?dú)獗Ｗo(hù)氣氛以及摩擦次數(shù)等因素對(duì)微波芯片共晶焊接的影響，以期獲得 90 % 以上的芯片焊透率，滿足產(chǎn)品研制生產(chǎn)的需求。最后，選取共晶焊接焊透率好的大功率微波芯片進(jìn)行熱循環(huán)試驗(yàn)，對(duì)不同循環(huán)次數(shù)下的芯片進(jìn)行剪切力測(cè)試，分析不同循環(huán)次數(shù)下的芯片剪切力的變化規(guī)律。

02

試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1預(yù)置AuSn共晶焊料層

共晶焊接過程中，AuSn 焊料的用量對(duì)大功率微波芯片的焊透率和焊料流淌有直接的影響。采用常規(guī)的熔鑄–軋制方法制備的 AuSn 預(yù)成型焊片厚度通常大于 15 μm，在大功率微波芯片散熱通路中熱阻較大，易發(fā)生熱量積累而導(dǎo)致芯片過熱乃至失效。采用分層電鍍技術(shù)在 MoCu 熱沉上制作了 5 μm 厚的金錫共晶焊料層（圖 2），優(yōu)化確定 MoCu 熱沉上的Ni-Au-Sn 膜層結(jié)構(gòu)，考察了金層、錫層的膜厚對(duì)金錫合金的影響。試驗(yàn)表明：金層和錫層的厚度直接決定了金錫合金的含量，金層、錫層在合適的厚度下能得到共晶點(diǎn)的金錫合金；金含量偏高時(shí)，合金熔化溫度明顯變高，制備的合金不具有實(shí)用價(jià)值；錫含量偏高時(shí)，合金熔化溫度變化較小。

圖 2 預(yù)置AuSn共晶焊料層的微觀形貌

通過試驗(yàn)研究了熱處理工藝對(duì)預(yù)置 AuSn 焊料合金的影響。結(jié)果表明熱處理溫度在 350? C 時(shí)可達(dá)到較好的合金化效果。對(duì)金錫共晶薄膜的性能做了評(píng)估測(cè)試。結(jié)果表明，在 MoCu 熱沉上制備的金錫共晶薄膜的成分可控制在 w( Au ) = (80 ± 1) %，w( Sn ) = (20 ± 1) %，薄膜可焊性良好，滿足產(chǎn)品AuSn 共晶焊接的需求。

2.2焊接溫度曲線設(shè)計(jì)

Au80Sn20 焊料的熔點(diǎn)為 280? C，焊接時(shí)溫度范圍一般為 300? C～ 310?C，以保證焊料具有較好的可焊性。大功率微波芯片對(duì)溫度敏感，一般焊接溫度不能超過 310? C，焊接時(shí)間不能超過 30s，否則會(huì)導(dǎo)致芯片性能下降。因此，焊接的溫度曲線設(shè)計(jì)非常重要。自動(dòng)共晶焊接設(shè)備配置了可編程脈沖加熱臺(tái)，可以對(duì)溫度曲線進(jìn)行精確控制，從而大大提高焊接的可靠性。可編程脈沖加熱臺(tái)主要通過升溫速率、最高溫度和持續(xù)時(shí)間來編制溫度程序。試驗(yàn)選取了多種參數(shù)進(jìn)行組合，得到不同的溫度曲線，通過焊接過程中的焊料溢出、焊透率、芯片破裂等結(jié)果對(duì)焊接曲線進(jìn)行評(píng)價(jià)，最終確定最適合大功率微波芯片焊接的溫度曲線的參數(shù)：升溫速率 10? C / s，最高溫度 310 ? C，持續(xù)時(shí)間 7 s。

2.3氮?dú)鈿夥毡Ｗo(hù)的影響

在大功率微波芯片的焊接過程中進(jìn)行局部氮?dú)鈿夥毡Ｗo(hù)，如圖 3 所示。一個(gè)半密封氮?dú)獗Ｗo(hù)罩扣在脈沖加熱臺(tái)上方，充入氮?dú)鈱⒖諝馀懦越档铜h(huán)境氧氣含量。

圖 3 氮?dú)獗Ｗo(hù)罩

設(shè)備的氮?dú)饬髁吭?0 ～ 20 L / min 范圍內(nèi)可控。氮?dú)饬髁繛?0 時(shí)，焊接過程沒有保護(hù)，金錫焊料容易形成氧化物殘?jiān)?，影響焊接質(zhì)量甚至有可能影響產(chǎn)

品可靠性，如圖 4 所示。當(dāng)?shù)獨(dú)饬髁刻嵘?5 L / min以上時(shí)，半密封罩內(nèi)能夠排除氧氣，保證共晶焊接在無氧氣氛下完成，此時(shí)得到的金錫焊點(diǎn)明亮而有光澤、無氧化。氮?dú)饬髁坷^續(xù)提升，到 10 L / min 以上時(shí)，氮?dú)饬魉龠^大導(dǎo)致從加熱臺(tái)帶走的熱量過多，焊接溫度開始出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。綜上所述，設(shè)置氮?dú)饬髁?5 L / min 即可保證排除氧氣以提高焊接質(zhì)量，同時(shí)可最大程度地節(jié)約成本，降低焊接熱量損耗。

圖 4 金錫氧化物殘?jiān)?/p>

2.4摩擦次數(shù)的影響

在大功率微波芯片自動(dòng)共晶焊接時(shí)會(huì)有一個(gè)摩擦過程，如圖 5 所示。摩擦過程有利于金錫焊料表面的氧化物破除，有利于焊料在芯片和熱沉之間鋪展，同時(shí)排除共晶焊接面的氣體，從而提高焊透率。

圖 5 共晶焊接中的摩擦

大功率微波芯片焊接過程中，在 X 和 Y 方向均可施加摩擦過程。本試驗(yàn)中設(shè)定 X 和 Y 方向摩擦交替進(jìn)行，兩方向合計(jì)摩擦次數(shù)與焊透率的關(guān)系曲線見圖6。

試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)摩擦次數(shù)達(dá)到 30 次時(shí)，焊透率可以保證在 90 % 以上，滿足功放芯片的散熱要求；摩擦次數(shù)繼續(xù)增加，焊透率提升比例有限。

圖 6 摩擦次數(shù)與焊透率的關(guān)系曲線

使用上述試驗(yàn)確定的優(yōu)化參數(shù)在熱沉上完成大功率微波芯片、兩個(gè)陶瓷片和兩個(gè)連排電容的焊接，如圖 7 所示。各個(gè)器件之間的距離經(jīng)過測(cè)量，位置精度能夠控制在 (25 ± 5) μm 范圍內(nèi)，焊透率能夠達(dá)到90 % 以上，完全能夠滿足產(chǎn)品高精度高焊透率的組裝要求。

圖 7 功放模塊高精度焊接

2.5環(huán)境試驗(yàn)

根據(jù)軍用標(biāo)準(zhǔn) GJB 548B—2005 的相關(guān)要求，對(duì)焊后大功率微波芯片模塊進(jìn)行 ?55? C～ +125? C熱循環(huán)試驗(yàn)，然后每隔 100 次熱循環(huán)進(jìn)行微波芯片剪切力測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖 8 大功率微波芯片焊后剪切力隨循環(huán)次數(shù)的變化

由圖 8 可見，經(jīng)過 ?55? C～ +125? C 多次熱循環(huán)試驗(yàn)后，微波芯片的剪切力先有所增大后稍微減小。分析認(rèn)為，高溫時(shí)金錫層能夠進(jìn)一步相互擴(kuò)散，形成了更均勻的共晶金屬化層；隨著循環(huán)次數(shù)的增加（ 300 次后），焊接層內(nèi)的細(xì)小空洞逐漸擴(kuò)大，導(dǎo)致剪切力稍微減小，但仍能滿足 GJB 548B—2005 的要求，且焊后剪切力遠(yuǎn)大于 GaAs 芯片自身的強(qiáng)度。這充分說明大功率芯片在優(yōu)化的工藝參數(shù)下采用 AuSn焊料焊接具有很高的可靠性。

03

結(jié)束語

本文研究了大功率微波芯片共晶焊接技術(shù)，分別對(duì)影響微波芯片焊接焊透率的預(yù)置焊料、溫度曲線、氮?dú)獗Ｗo(hù)氣氛、摩擦次數(shù)等影響因素進(jìn)行研究，得到以下結(jié)論：

1）采用分層電鍍技術(shù)在 MoCu 熱沉上制作了 5 μm 厚的金錫共晶焊料層，可焊性良好，滿足共晶焊接的需求。

2）適合大功率微波芯片焊接的溫度曲線的參數(shù)為升溫速率 10? C / s，最高溫度 310 ? C，持續(xù)時(shí)間 7 s。

3）設(shè)置氮?dú)饬髁?5 L / min，能夠保證共晶焊接在無氧氣氛下完成，此時(shí)得到的金錫焊點(diǎn)具有明亮的金屬光澤。

4）摩擦次數(shù)達(dá)到 30 次時(shí)，焊透率能夠達(dá)到 90 % 以上，焊接位置精度能夠控制在(25 ± 5) μm 范圍內(nèi)，滿足產(chǎn)品高精度高焊透率的組裝要求。

5）焊后大功率微波芯片模塊的熱循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果表明，采用優(yōu)化的工藝參數(shù)獲得的大功率微波芯片共晶焊接模塊具有較好的可靠性。

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