大功率微波芯片自動(dòng)共晶焊接技術(shù)（摘錄）

轉(zhuǎn)自：微組裝領(lǐng)域知識(shí)研討分享；來(lái)源：眾望微組裝；作者：南京胡永芳研究員、韓宗杰研究員

  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(lái)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(guó)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(xiàn)、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。

  試驗(yàn)原理：采用Au80Sn20焊料，共晶熔點(diǎn)280度。釬焊溫度為300-310度，比共晶熔點(diǎn)高出20-30度。（下次看哪位材料高手，普及一下如何看合金相圖）

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 Al2O3，厚 0.5 mm，待焊接面鍍金；

3）熱沉為 Mo70Cu30 合金，厚 0.4 mm。

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(xiàn)、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(mǎn)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。

試驗(yàn)結(jié)果與分析

1.  預(yù)置金錫合金焊料層

       共晶焊接過(guò)程中，金錫焊料的用量對(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-軋制方法制備的金錫預(yù)成型焊片厚度通常大于15um，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(guò)熱乃至失效。采用分層電鍍技術(shù)在MoCu熱沉上制作了5um厚的金錫共晶焊料層，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。通過(guò)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度時(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。表明，在MoCu熱沉上制備的金錫共晶薄膜的成分可控制在Au=80+/-1%,Sn=20+/-1%,薄膜可焊性良好，滿(mǎn)足產(chǎn)品AuSn共晶焊接的需求。

2. 焊接溫度曲線(xiàn)設(shè)計(jì)

      Au80Sn20焊料的熔點(diǎn)為280度，焊接時(shí)溫度范圍一般為300-310度，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，一般焊接溫度不超過(guò)310度，焊接時(shí)間不能超過(guò)30S，否則會(huì)導(dǎo)致芯片性能下降，因此，焊接的溫度曲線(xiàn)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(xiàn)進(jìn)行精確控制，從而大大提高焊接的可靠性。可編輯脈沖加熱臺(tái)主要通過(guò)升溫速率、最高溫度和持續(xù)時(shí)間來(lái)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(xiàn)，通過(guò)焊接過(guò)程中的焊料溢出、焊透率、芯片破裂等結(jié)果對(duì)焊接曲線(xiàn)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(xiàn)參數(shù)：升溫速度10度/S,最高溫度310度，持續(xù)時(shí)間7S。

3. 氮?dú)鈿夥毡Ｗo(hù)的影響

      在大功率微波芯片的焊接過(guò)程中進(jìn)行局部氮?dú)鈿夥毡Ｗo(hù)，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。設(shè)備的氮?dú)饬髁吭?-20L/min范圍內(nèi)可控。氮?dú)饬髁繛?時(shí)，焊接過(guò)程沒(méi)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，當(dāng)?shù)獨(dú)饬髁刻嵘?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(wú)氧氣氛下完成，此時(shí)得到的金錫焊點(diǎn)明亮而有光澤、無(wú)氧化。氮?dú)饬髁坷^續(xù)提升，到10L/min以上時(shí)，氮?dú)饬魉龠^(guò)大導(dǎo)致從加熱臺(tái)帶走的熱量過(guò)多，焊接溫度開(kāi)始出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。綜上所述，設(shè)置氮?dú)饬髁?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。

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(guò)程，

摩擦過(guò)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。大功率微波芯片焊接過(guò)程中，在X和Y方向均可施加摩擦過(guò)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(xiàn)

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(mǎn)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。

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，各個(gè)器件之間的距離精度，能夠控制在25+/-5um的范圍內(nèi)，焊透率能夠達(dá)到90%以上，完全能夠滿(mǎn)足產(chǎn)品高精度高焊透率的組裝要求。

結(jié)束語(yǔ)

  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(xiàn)、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(mǎn)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(xiàn)的參數(shù)為升溫速率10 度/s，最高溫度310 度，持續(xù)時(shí)間 7 s

3）設(shè)置氮?dú)饬髁?nbsp;5 L/min，能夠保證共晶焊接在無(wú)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(mǎn)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。

致謝：南京胡永芳研究員、韓宗杰研究員的論文分享。

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