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基于低溫焊料的真空燒結(jié)工藝研究

半導(dǎo)體封裝工程師之家 ? 來源:半導(dǎo)體封裝工程師之家 ? 作者:半導(dǎo)體封裝工程師 ? 2024-03-19 08:44 ? 次閱讀
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李娜(中國電子科技集團公司第十三研究所)

摘要:

銦鉛銀焊料(154 ℃)熔點可與鉛錫焊料(183 ℃)拉開溫度梯度,且熱導(dǎo)率高于導(dǎo)電膠,可滿足功率器件的散熱要求,因此該焊料在組件類產(chǎn)品功率芯片載體裝配工藝中應(yīng)用廣泛。傳統(tǒng)的手工燒結(jié)方式具有熔融時間長、生產(chǎn)效率低、可靠性差等缺點,通過對基于銦鉛銀低溫焊料的真空燒結(jié)工藝的助焊劑選取、焊料厚度和尺寸、工裝夾具設(shè)計、真空燒結(jié)曲線調(diào)試等幾個方面進(jìn)行研究,最終摸索出一種適用于銦鉛銀低溫焊料的真空燒結(jié)工藝方法。

0 引言

常用的芯片安裝技術(shù)主要包括焊料燒結(jié)和導(dǎo)電膠粘結(jié),導(dǎo)電膠粘結(jié)工藝具有操作簡單、成本低等優(yōu)點,但其導(dǎo)熱性較差,對于功率較大需要散熱的芯片仍主要采用焊料燒結(jié)工藝。由于組件類產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜,通常包含有連接器、電路板、表貼阻容元件安裝等非芯片裝配工序,一般會用到 217 ℃(Sn96.5Ag3Cu0.5)和 183 ℃(Pb63Sn37)兩個溫度梯度,而芯片裝配工序需要與非芯片裝配工序拉開溫度梯度,以保證上道工序裝配的可靠性。功率芯片通常使用金錫焊料燒結(jié)工藝先燒結(jié)到散熱較好的匹配載片上,再將載片用低溫焊料燒焊到盒體中,以達(dá)到較好的散熱效果。

銦鉛銀焊料(In80Pb15Ag5)作為低熔點電子焊接材料,可與 Pb63Sn37 焊料拉開溫度梯度,且具有較高的熱導(dǎo)率、較強的抗疲勞性能,因此在組件類產(chǎn)品功率載片裝配工藝中得到廣泛應(yīng)用。

傳統(tǒng)的手工燒結(jié)方式存在如下問題:(1)焊料浸潤性差,需要載體和盒體先搪錫,再進(jìn)行燒結(jié),效率很低;(2)由于產(chǎn)品尺寸限制載體入盒無法預(yù)留足夠摩擦空間,導(dǎo)致載體與盒體上搪的錫無法充分融合,后期出現(xiàn)載體脫落的質(zhì)量問題;(3)很多產(chǎn)品要燒結(jié)十幾甚至二十幾個東西,手工摩擦需要逐個進(jìn)行燒結(jié),由于熔融時間過長導(dǎo)致最先燒結(jié)的載體焊料發(fā)干,后期易出現(xiàn)載體脫落的質(zhì)量問題。

基于以上原因,急需對基于 154 ℃低溫焊料的真空燒結(jié)工藝進(jìn)行研究,實現(xiàn)基于 154 ℃低溫焊料的低空洞率真空燒結(jié)。

1 低溫焊料的真空燒結(jié)工藝影響因素

1.1 載體及盒體背面金屬化

154 ℃焊料中的銦元素可與金形成合金,且銦對金的溶蝕作用遠(yuǎn)比錫小 [1] ,不會形成 " 金脆" 效應(yīng),因此含銦焊料可適用于厚金材料的焊接。一般用于焊接的材料鍍層采用鎳 - 金兩層金屬化結(jié)構(gòu),對于較常使用的鉬銅載體,鎳層可形成阻擋層,避免銅元素向鍍金層中的擴散,保證鍍金層的純度,保證與焊料的焊接質(zhì)量。由于盒體通常需要同時適應(yīng)含錫焊料的焊接,因此盒體鍍金層一般不大于 0.5 微米,這就要求載體鍍金層厚度需要厚一點,以保證銦鉛合金中金元素的百分比,載體鍍金層厚度一般要在 1 微米以上,較厚的鍍金層有利于銦與金的合金成核過程,提高焊料與載體的焊料強度和焊接質(zhì)量。

1.2 原材料表面狀態(tài)

通常情況下,組件產(chǎn)品的非芯片裝配工藝在芯片裝配工藝之前,因此功率載體入盒時盒體已經(jīng)過了多次焊接過程,前道工序的助焊劑殘留或者其他污染源引入均會導(dǎo)致待焊接表面粘污,從而影響該表面的潤濕性,導(dǎo)致焊料熔融狀態(tài)鋪展不良,對焊接效果造成很嚴(yán)重的影響 [2] 。因此在焊接前需對盒體待焊接面進(jìn)行清潔,以除去其表面粘污,保證焊接質(zhì)量。

1.3 真空燒結(jié)工藝曲線

真空燒結(jié)是指在一定的真空度下,利用熔點比被焊接材料的熔點更低的合金做釬料,通過加熱使釬料熔化,靠毛細(xì)作用將液態(tài)焊料填充到焊接接觸面的間隙中,通過液態(tài)焊料與被焊金屬之間相互擴散溶解形成金屬間化合物,最后經(jīng)過冷卻形成高可靠的焊接 [3] 。

真空燒結(jié)溫度曲線一般由四部分組成:預(yù)熱區(qū)、保溫區(qū)、峰值區(qū)、冷卻區(qū)。預(yù)熱區(qū)主要用來對原材料進(jìn)行預(yù)熱,提高焊料活性,進(jìn)而保證粘接效果;保溫區(qū)主要用來保證原材料受熱均勻,減小溫差造成的影響,同時可以在助焊劑或者還原氣體的作用下去除原材料表面的氧化膜;峰值區(qū)主要用于焊料的共晶反應(yīng),生成金屬間化合物,實現(xiàn)原材料之間的焊接;冷卻區(qū)主要用于控制冷卻速度,避免冷卻速度過快或過慢影響金屬間化合物的晶粒生長,最終導(dǎo)致粘接強度下降等問題 [4] 。通過設(shè)置合適的溫度曲線并在合適的溫度點進(jìn)行抽真空過程,來確保焊料中的氣泡或者助焊劑被抽出,從而實現(xiàn)低空洞率燒結(jié)。

2 低溫焊料真空燒結(jié)工藝研究

2.1 焊接表面處理

由于組件類盒體在載體入盒前通常已經(jīng)過了多次焊接過程,其表面粘污對燒結(jié)質(zhì)量影響較大,為保證燒結(jié)質(zhì)量需要對焊接表面進(jìn)行預(yù)處理。經(jīng)試驗驗證,兩種方式可實現(xiàn)焊接表面的清潔:當(dāng)表面無可見粘污時,可采用等離子清洗的方式進(jìn)行焊接表面清潔,該方式效率較高,但僅適用于輕微污染表面;當(dāng)表面有肉眼可見粘污時,需要用乙醇棉進(jìn)行擦拭,保證清潔效果。

2.2 焊料選擇

154 ℃低溫焊料成分為In80Pb15Ag5,主要形式有焊片和焊錫絲等。焊片具有可再次加工成型、易實現(xiàn)定量控制等優(yōu)點,更適合于真空燒結(jié)工藝應(yīng)用。

焊片的厚度和大小決定了焊料量的多少,分別對厚度為 100 μm、75 μm、50 μm 的焊料進(jìn)行了試驗,厚度為 100 μm 的焊料在不加壓時燒結(jié)后載體傾斜嚴(yán)重,影響后續(xù)鍵合;75 μm 厚度焊料的燒結(jié)空洞率明顯優(yōu)于50 μm 焊料,這是因為鉬銅載體一般較薄,在經(jīng)過金錫燒結(jié)后通常會有一定的形變,較厚的焊料可彌補載體形變造成的空隙,保證焊料和載體的接觸面積,從而保證燒結(jié)質(zhì)量。因此確定了最佳焊料厚度為 75 μm。圖 1 所示為 50 μm厚度焊料和 75 μm 厚度焊料燒結(jié)后的 X光照片。

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焊片的尺寸對燒結(jié)效果影響也較大,由于銦鉛銀焊料浸潤性較差,需要使用助焊劑進(jìn)行燒焊,當(dāng)焊料尺寸較大時,焊料熔融時會迅速與載體邊緣形成包角,導(dǎo)致助焊劑不易被抽出,空洞率較大;焊料面積過小時,焊料流動性差,無法浸潤到載體邊緣,導(dǎo)致載體邊緣空洞率差,經(jīng)反復(fù)試驗最終確定了最佳的焊料尺寸為載體面積*80%。

2.3 工裝夾具設(shè)計

通過壓塊的方式提供適當(dāng)?shù)膲毫梢栽谝欢ǔ潭壬显龃蠛附用娣e [5] ,減少焊料與焊接面之間的空隙,保證焊接質(zhì)量。

組件內(nèi)待入盒的載體通常都已燒結(jié)好芯片,壓塊直接對芯片加壓會損傷芯片,因此需設(shè)計鏤空壓塊將芯片位置讓開進(jìn)行加壓,如圖 2 所示。

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對于 TR 組件類產(chǎn)品需要對很多個載體(通常有幾十個之多)同時加壓,使用壓塊加壓效率很低,因此設(shè)計了探針加壓工裝:在工裝橫梁上固定很多根彈簧探針,探針在載體上未安裝芯片的位置進(jìn)行加壓,彈簧探針工裝可實現(xiàn)多載體的同時加壓。圖 3 所示為專供 TR 組件載體裝配使用的彈簧探針加壓工裝。

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2.4 真空燒結(jié)工藝曲線

真空燒結(jié)工藝曲線對燒結(jié)質(zhì)量具有直接影響。為了保證良好的燒結(jié)效果,應(yīng)該選擇合適的預(yù)熱溫度,并進(jìn)行充足的預(yù)熱,同時選擇合適的燒結(jié)溫度與時間,避免溫度不足導(dǎo)致無法充分反應(yīng)或時間過長反應(yīng)過度、溫度過高導(dǎo)致 183 ℃焊料熔融等情況的出現(xiàn)。抽真空的時機也很重要,由于工藝過程中使用了助焊劑,需要在燒結(jié)過程中將助焊劑充分抽出,以保證燒結(jié)空洞率。因此低溫焊料的真空燒結(jié)工藝需改變傳統(tǒng)的程序設(shè)計思路。

傳統(tǒng)真空燒結(jié)曲線如圖 4 所示,在常溫時進(jìn)行兩次抽真空 - 充氮氣循環(huán)進(jìn)行氣氛換氣,隨后在真空下進(jìn)行升溫,這一過程主要是為了防止焊料氧化;當(dāng)溫度升到最高點時充入少許氮氣(60 Torr~150 Torr 之間)進(jìn)行導(dǎo)熱使焊料熔融,焊料熔融狀態(tài)下開始抽真空以抽出焊料中的氣泡,之后開始降溫進(jìn)入冷卻區(qū)。

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154 ℃低溫焊料的真空燒結(jié)程序曲線如圖 5 所示,經(jīng)過兩次換氣后在常壓下進(jìn)行升溫,原因是銦鉛銀低溫入盒工藝主要應(yīng)用于組件類產(chǎn)品,很多產(chǎn)品背面有腔體,真空狀態(tài)升溫很慢,常壓下可實現(xiàn)氣體輔助升溫,且有助焊劑不會導(dǎo)致焊料氧化;在焊料熔融前開始抽真空,因為當(dāng)焊料熔融后助焊劑較難抽出;然后進(jìn)氣等待焊料熔化,熔化后再進(jìn)行三次抽真空 - 充氮氣的循環(huán),這樣可將大的氣泡吹散,保證燒結(jié)空洞率。

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該程序還可實現(xiàn)組件產(chǎn)品的快速程序調(diào)試,快速實現(xiàn)多品種小批量特征明顯的產(chǎn)品生產(chǎn)。將程序最高溫度控制在 185-190 ℃,以確保 Pb63Sn37(183 ℃)焊料不會熔融,當(dāng)進(jìn)行新產(chǎn)品調(diào)程序時,將真空燒結(jié)爐的測溫?zé)崤贾糜诤畜w表面進(jìn)行盒體溫度監(jiān)測,通過延長最高溫進(jìn)氣時間使焊料熔融,試驗一爐后即可確定最終燒結(jié)程序。

3 試驗結(jié)果

經(jīng)過以上各項工藝研究,基于銦鉛銀低溫焊料的真空燒結(jié)工藝達(dá)到了較好的燒結(jié)效果,可實現(xiàn)燒結(jié)空洞率<10%,滿足功率載體入盒的工藝要求。圖 6 所示為 TR組件低溫焊料真空燒結(jié)后的 X 光照片。

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4 結(jié)束語

154 ℃低溫焊料的真空燒結(jié)工藝與原材料表面狀態(tài)、焊料厚度及尺寸、加壓情況、真空燒結(jié)工藝參數(shù)等因素有關(guān),通過有效的表面處理措施、合適的焊料厚度及尺寸選擇、工裝夾具設(shè)計及真空燒結(jié)工藝曲線調(diào)試,得到了較好的燒結(jié)效果,實現(xiàn)了組件類產(chǎn)品功率載體的低空洞率燒結(jié)。

隨著 TR 組件及微波組件類產(chǎn)品在各類工程中的廣泛應(yīng)用,154 ℃低溫焊料真空燒結(jié)工藝為該類產(chǎn)品的功率載體入盒提供了合理的工藝路線和適合工程化應(yīng)用的工藝方法,可大大提高生產(chǎn)效率和燒結(jié)質(zhì)量。

審核編輯 黃宇

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