文章來源：學(xué)習(xí)那些事

原文作者：前路漫漫

本文主要講述什么是共晶焊接。

共晶焊接的核心是通過形成異種金屬間的共晶組織，實現(xiàn)可靠牢固的金屬連接。在半導(dǎo)體封裝的芯片安裝過程中，首先要求芯片背面存在金屬層。通常，功率器件的背面金屬層為 Ti/Ni/Ag 結(jié)構(gòu);而普通芯片因背面為硅材質(zhì)，且共晶焊接溫度較高，同時這類芯片功率較小、發(fā)熱有限，對地電阻敏感度低，所以一般不采用共晶裝片，而是選擇導(dǎo)電膠黏結(jié)的方式。不過在特殊場景下，若基板焊盤表面經(jīng)過鍍金處理，也可對芯片純硅背面實施共晶加工，這類場景通常對可靠性和密封性有較高要求，具體過程將在后續(xù)詳述。在深入探討共晶焊接工藝前，先了解其基本原理。

當(dāng)兩種組元在液態(tài)可完全互溶、固態(tài)僅有限互溶且存在共晶轉(zhuǎn)變時，所構(gòu)成的二元合金相圖即為共晶相圖。像 Pb-Sn、Pb-Sb、Cu-Ag、Al-Si 等合金的相圖都屬于這一類型。以 Pb-Sn 合金相圖為例，這是典型的二元共晶相圖，其中水平線 CED 被稱為共晶線。在該水平線對應(yīng)的溫度(183℃)下，成分為 E 點的液相會同時結(jié)晶出成分為 C 點的 α 固溶體和 D 點的 β 固溶體，即 L→(α_C + β_D)。這種在特定溫度下，由特定成分的液相同時生成兩種成分與結(jié)構(gòu)均不同的新固相的轉(zhuǎn)變過程，稱為共晶轉(zhuǎn)變或共晶反應(yīng)。共晶反應(yīng)的產(chǎn)物是兩相構(gòu)成的機械混合物，稱為共晶體或共晶組織。發(fā)生共晶反應(yīng)的溫度稱為共晶溫度，代表共晶溫度與共晶成分的點稱為共晶點，具有共晶成分的合金則稱為共晶合金。在共晶線上，成分位于共晶點左側(cè)的合金為亞共晶合金，位于右側(cè)的則為過共晶合金。所有具有共晶線成分的合金液體，冷卻至共晶溫度時都會發(fā)生共晶反應(yīng)。在共晶反應(yīng)過程中，L、α、β 三相平衡共存，它們的成分保持固定，但各自的重量會不斷變化。

共晶合金(如合金 Ⅱ)的結(jié)晶過程如下：當(dāng)合金液體冷卻至共晶點 E 時，液體同時被 Pb 和 Sn 飽和，進而發(fā)生共晶反應(yīng)：L→(α_C + β_D)，析出成分為 C 的 α 相和成分為 D 的 β 相。反應(yīng)結(jié)束后，得到 α+β 的共晶組織。由于從成分均勻的液相中同時結(jié)晶出兩種成分差異顯著的固相，必然伴隨元素的擴散過程。假設(shè)先析出富鉛的 α 相晶核，隨著其生長，周圍液體將因鉛元素減少而錫元素富集，這為 β 相的形核創(chuàng)造了條件;而 β 相的生長又會反過來促進 α 相的進一步形核。如此一來，兩相交替形核、相互促進，使得共晶組織通常較為細密，呈現(xiàn)片狀、針狀、棒狀或點球狀等形態(tài)?？傮w而言，共晶組織具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、機械性能優(yōu)良的特點，能夠在異種金屬間形成穩(wěn)固的連接。

共晶焊接的具體方式是：利用芯片背面的金硅合金，與基座或引線框架上鍍層(如銀層)在高溫氨氣氛保護下(溫度范圍 400~440℃)發(fā)生反應(yīng)形成合金，從而實現(xiàn)芯片的固定。這種工藝要求芯片背面預(yù)先蒸鍍金層，其導(dǎo)電與導(dǎo)熱性能優(yōu)異，適用于尺寸較小的芯片，尤其適合功率晶體管芯片。與采用合金焊料的裝片方式相比，這種方式更有利于芯片工作時的散熱。

共晶焊接技術(shù)在電子封裝領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，涵蓋芯片與引線框架或基板的連接、基板與管殼的裝配、管殼封帽等場景。與傳統(tǒng)的環(huán)氧導(dǎo)電膠連接相比，共晶焊接具有熱導(dǎo)率高、電阻小、傳熱迅速、可靠性強、連接后剪切力大等優(yōu)勢，適用于高頻、大功率器件中芯片與基板、基板與管殼的互聯(lián)。對于有較高散熱需求的功率器件，采用共晶焊接能有效提升散熱效率。

共晶焊接借助共晶合金的特性完成焊接過程，共晶合金具有以下特點：①熔點低于純金屬組元，相較于熔化焊工藝大幅簡化了操作流程;②流動性優(yōu)于純金屬組元，凝固過程中可避免枝晶對液體流動的阻礙，鑄造性能更優(yōu);③恒溫轉(zhuǎn)變(無凝固溫度范圍)減少了偏聚、縮孔等缺陷;④共晶凝固能形成多種顯微組織，尤其是規(guī)則排列的層狀或桿狀共晶組織，可成為性能優(yōu)異的原生復(fù)合材料。

共晶現(xiàn)象指共晶焊料在較低溫度下發(fā)生共晶成分的熔合，此時共晶合金直接從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，不經(jīng)過塑性階段，其熔化溫度被稱為共晶溫度?！罢婵?/ 可控氣氛自動共晶爐” 是近年來國際上推出的新型設(shè)備，可實現(xiàn)各類器件的共晶工藝。該設(shè)備在共晶過程中無需使用助焊劑，且具備抽真空或充惰性氣體的功能 —— 在真空環(huán)境下進行共晶能有效減少空洞，若配合專用夾具，還可實現(xiàn)多芯片的一次共晶操作。

真空 / 可控氣氛自動共晶爐主要用于芯片焊接，其中芯片與基板的焊接是其核心應(yīng)用方向。通常采用金錫(AuSn 80/20)、金硅(AuSi)、金鍺(AuGe)等合金焊片，將芯片焊接至基板(載板)上。具體操作時，需將合金焊片置于芯片與基板間的焊盤位置。為防止氧化物生成，芯片背面通常會鍍一層金。上述三種合金焊料已在半導(dǎo)體器件中成功應(yīng)用，具備優(yōu)良的機械性能與熱傳導(dǎo)性。

在微波、毫米波電路中，常用的合金焊料為 AuSn(熔點 280℃)和 AuGe(熔點 365℃)。由于兩者熔點差異較大，實際應(yīng)用中一般先用 AuGe 合金將膜電路焊接在載板上，再用 AuSn 合金焊接微波芯片、電容等元器件。為避免芯片等元器件受到高溫?zé)釠_擊，部分企業(yè)采用 AuSn 合金將薄膜電路共晶焊接到載板，而其他芯片元器件則采用導(dǎo)電膠焊接。

在多芯片組件中，焊接芯片與基板所用的材料及組裝工藝，與混合電路中的應(yīng)用大致相同。和混合電路類似，90% 以上的多芯片組件會使用低成本且易于返修的環(huán)氧樹脂;焊料或共晶焊接法則主要用于大功率封裝的內(nèi)部互聯(lián)，或需滿足宇航級要求的封裝互聯(lián)，相關(guān)細節(jié)將在后續(xù)特種封裝章節(jié)中詳細說明。

多芯片組件作為當(dāng)前微組裝技術(shù)的典型產(chǎn)物，是一種能滿足民用、軍用、宇航電子裝備及巨型計算機在微小型化、高可靠性、高性能等方面迫切需求的先進微電子組件。它將多個芯片及其他片式元器件集成在一塊高密度多層互連基板上，并封裝于管殼內(nèi)。憑借高密度、高性能、高可靠性、輕重量、小體積等顯著優(yōu)勢，多芯片組件被廣泛應(yīng)用于航空航天、軍用通信、常規(guī)武器等軍事領(lǐng)域。目前，多芯片組件在密度持續(xù)提升的同時，正朝著大功率、高頻方向發(fā)展，而多芯片共晶內(nèi)互聯(lián)工藝是推動大功率、高頻器件制造水平提升的關(guān)鍵技術(shù)。

使用真空 / 可控氣氛自動共晶爐進行芯片共晶焊接時，需重點關(guān)注以下問題：

1)焊料的選擇。焊料是共晶焊接的核心要素，可作為焊料的合金種類多樣，如 AuGe、AuSn、AuSi、SnIn、SnAg、SnBi 等，每種焊料因自身特性適用于不同場景。例如，含銀的 SnAg 焊料易與鍍銀端面結(jié)合，含金、銦的合金焊料則易與鍍金端面接合。根據(jù)被焊件的熱容量，共晶爐的焊接溫度通常需設(shè)定為高于焊料合金共晶溫度 30~50℃。此外，芯片的耐溫能力與焊料共晶溫度的匹配也是關(guān)鍵 —— 若焊料共晶溫度過高，可能改變芯片材料的物理化學(xué)性質(zhì)，導(dǎo)致芯片失效。因此，選擇焊料時需綜合考慮鍍層成分與被焊件的耐受溫度。另外，焊料存放時間過長會導(dǎo)致表面氧化層過厚，由于焊接過程無人工干預(yù)，氧化層難以去除，熔化后殘留的氧化膜會造成焊接空洞。雖然焊接時向爐腔充入少量氫氣可還原部分氧化物，但最好使用新焊料以將氧化程度降至最低。

2)溫度控制工藝曲線參數(shù)的設(shè)定。共晶焊接技術(shù)主要應(yīng)用于高頻電路、大功率電路以及需滿足宇航級標(biāo)準(zhǔn)的電路。焊接過程中的熱量流失、熱應(yīng)力、環(huán)境濕度、顆粒雜質(zhì)及沖擊振動等，是影響焊接質(zhì)量的關(guān)鍵因素。其中，熱損傷會導(dǎo)致薄膜器件性能下降;濕度過高可能引發(fā)部件黏連、磨損及異常附著;散熱部件功能失效則會阻礙熱量傳導(dǎo)。

共晶焊接中常見的問題是加熱基座溫度低于共晶溫度，此時焊料雖能熔化，但不足以促使芯片背面鍍金層擴散，操作者易誤將焊料熔化當(dāng)作共晶完成;反之，加熱基座持續(xù)工作時間過長會造成電路金屬層損壞。因此，共晶過程中溫度與時間的精準(zhǔn)控制至關(guān)重要。

由于共晶所需溫度較高(尤其是采用 AuGe 焊料時)，對基板及薄膜電路的耐高溫性能提出了明確要求 —— 需耐受 400℃高溫，且在此溫度下電阻與導(dǎo)電性能不受影響。值得注意的是，共晶溫度控制并非簡單達到某一固定值，而是要經(jīng)歷完整的溫度曲線變化過程。在此過程中，設(shè)備需具備處理抽真空、充氣、排氣等隨機事件的能力，這也是共晶爐的核心功能之一。

多芯片共晶的溫度控制與單芯片存在顯著差異。因芯片材料、共晶焊料不同，其共晶溫度往往存在差異，此時需采用階梯式共晶工藝：先處理共晶溫度較高的焊料，再處理溫度較低的焊料。共晶爐控制系統(tǒng)可預(yù)設(shè)多條溫度曲線，每條曲線可設(shè)置 9 個階段，通過鏈接擴展后最多可達 81 個階段，且在曲線運行中可穿插充氣、抽真空、排氣等工藝步驟。

3)降低空洞率。共晶完成后，空洞率是一項核心檢測參數(shù)，如何有效降低空洞率是共晶工藝的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。空洞的形成通常與焊料表面氧化層、微小雜質(zhì)顆粒、熔化時未排出的氣泡有關(guān)。氧化層會阻礙金屬表面結(jié)合物的相互滲透，其殘留縫隙在冷卻凝固后形成空洞;雜質(zhì)與氣泡也會直接導(dǎo)致空洞產(chǎn)生。

共晶焊接產(chǎn)生的空洞會降低器件可靠性，增加芯片斷裂風(fēng)險，同時導(dǎo)致器件工作溫度升高、管芯粘貼強度下降，進而影響焊接效果及整體電氣性能。降低空洞率的主要措施包括：①共晶前徹底清潔器件與焊料表面，清除各類雜質(zhì);②共晶過程中在器件上方設(shè)置加壓裝置，直接施加正向壓力;③在真空環(huán)境下執(zhí)行共晶操作。

4)實現(xiàn)多芯片一次共晶。在多芯片組件的共晶過程中，隨著芯片尺寸不斷縮小、數(shù)量持續(xù)增加，必須采用專用工裝夾具輔助完成。這類夾具不僅要能固定芯片與焊料的位置，還需具備操作便捷、耐受高溫環(huán)境且形態(tài)穩(wěn)定的特性。由于部分芯片尺寸僅 0.5mm2 甚至更小，人工定位難度大，操作不便，因此共晶爐通常適用于焊接 1mm2 以上的芯片。共晶過程中，氣流變化可能導(dǎo)致芯片移位，故借助夾具定位是必要環(huán)節(jié)。

夾具除需滿足加工精度要求外，還需能在高溫下保持形態(tài)穩(wěn)定，其物理化學(xué)性質(zhì)不會因高溫發(fā)生改變，或其變化不會對共晶過程產(chǎn)生不利影響，甚至能輔助提升共晶效果。同時，夾具材料需易于加工，否則會阻礙功能實現(xiàn)，且操作便利性也是重要考量因素。高純石墨基本符合上述要求，因此共晶爐夾具多選用此類材料，其特點包括：①高溫下變形量小，對器件影響輕微;②導(dǎo)熱性能優(yōu)異，利于熱量傳遞，能保證溫度均勻性;③化學(xué)穩(wěn)定性強，長期使用不易變質(zhì);④可塑性好，便于加工成型。在氧化環(huán)境中，石墨中的碳會生成 CO 和 CO?，具有干燥氧氣的作用。此外，石墨屬于各向同性材料，晶粒在各方向分布均勻密集，受熱時溫度均勻，焊接元器件固定于石墨上時，熱量可直接傳導(dǎo)，確保加熱均勻、焊接面平整。

5)基板與管殼的焊接。與芯片和基板的焊接流程相類似，基板與管殼的焊接也是共晶焊接的重要應(yīng)用領(lǐng)域。因基板通常尺寸大于芯片，且材質(zhì)更厚更堅硬，對定位精度要求較低，共晶爐能更高效地完成這類焊接操作。

6)封帽工藝。器件封帽是共晶爐的另一項應(yīng)用。器件外殼多采用陶瓷等基材，外部鍍金鎳層制成?！疤沾煞庋b” 在實際應(yīng)用中因裝配便捷、內(nèi)部連接易于實現(xiàn)且成本較低，成為優(yōu)選封裝方案。陶瓷材質(zhì)能抵御惡劣外部環(huán)境，如高溫、機械沖擊與振動，且硬度高，熱膨脹系數(shù)接近硅材料。這類器件的封裝可采用共晶焊接方式：陶瓷腔體上部設(shè)有密封環(huán)，用于與蓋板進行共晶焊接，以實現(xiàn)氣密或真空封焊。通常金層厚度需達到 1.5μm，但由于工藝處理及高溫烘烤的需求，腔體與密封環(huán)需電鍍 2.5μm 的金層，多余的金層可防止鎳遷移。鍍金蓋板可作為陶瓷管殼的氣密性封焊材料，共晶前通常需進行真空烘烤處理。此外，共晶爐還可應(yīng)用于芯片電鍍凸點再流成球、共晶凸點焊接、光纖封裝等工藝環(huán)節(jié)。

芯片背面采用不同合金材料時，在裝片過程中其周邊會出現(xiàn)不同的合金溢出情況。其中，采用五層背金或六層背金的芯片，其周邊未出現(xiàn)合金溢出的痕跡;而采用 AuGe 背金的芯片，周邊則有明顯的合金溢出跡象，不同合金背金的溢出表現(xiàn)存在顯著差異。

共晶焊接裝片工藝同樣存在一定的局限性。由于共晶裝片需要依靠機械手施加向下的壓力才能形成良好的共晶結(jié)構(gòu)，若裝片機械手上的吸嘴截面與芯片不平行，會導(dǎo)致芯片受力不均，進而出現(xiàn)芯片一側(cè)與銀形成牢固的共晶合金連接，而另一側(cè)連接不牢固的現(xiàn)象。同時，加壓時間與壓力大小均有明確規(guī)定值。相關(guān)研究針對芯片表面材料的極限應(yīng)力表明，當(dāng)壓強在 50MPa 以內(nèi)時，芯片處于安全狀態(tài)(硅的臨界壓強值為 53.6MPa)。