共晶焊接是目前微電子封裝中可靠性較高的焊接工藝。共晶焊接的工作原理以及如何選擇共晶焊料以及常用共晶焊料的性能特點(diǎn)，對(duì)比了幾種共晶焊接設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)，得出結(jié)論，在真空環(huán)境下使用真空可控氣氛共晶爐完成共晶焊接，可以有效防止共晶焊接過(guò)程中氧化物的產(chǎn)生，大大降低空洞率，從而提高焊接質(zhì)量。也適用于多芯片組件的共晶。討論了真空環(huán)境中影響共晶焊接質(zhì)量的真空度、保護(hù)氛圍、焊接過(guò)程中的溫度曲線、焊接過(guò)程中的壓力等條件。
一，共晶焊接原理
共晶焊接又稱低熔點(diǎn)合金焊接，是指共晶焊料在相對(duì)較低的溫度下熔合的現(xiàn)象，在不經(jīng)過(guò)塑性階段的情況下，直接從固體變成液體。共晶焊料是由兩種或兩種以上金屬組成的合金，其熔點(diǎn)遠(yuǎn)低于合金中任何一種金屬的熔點(diǎn)。共晶焊料的熔化溫度稱為共晶溫度。共晶焊料中合金成分的比例不同，共晶溫度也不同。例如，Sn-Pb是過(guò)去廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備和電子元器件的組裝和連接中的共晶焊料。
二，共晶焊料的選擇
焊料選片j是共晶焊接的關(guān)鍵因素。不同材料的芯片、涂層厚度不同，焊接材料的選擇標(biāo)準(zhǔn)也不同。例如si芯片背面的Au只是蒸一層薄層，但是0。．1“m～0．2 p m，如果使用AuSn焊料，芯片卜鍍的金就會(huì)被“吃掉”。因此，如何選擇焊料至關(guān)重要。焊接材料中的合金比例不同，其共晶溫度也不同。因?yàn)椴涣急Ｗo(hù)要求I：T越來(lái)越嚴(yán)格，含鉛焊料的應(yīng)用越來(lái)越受到限制，近年來(lái)人們積極開發(fā)各種無(wú)鉛焊料。選用無(wú)鉛焊料的原則是：熔點(diǎn)盡可能低，結(jié)合強(qiáng)度高，化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)。以下是一些常用無(wú)鉛焊料的特性簡(jiǎn)要介紹：Sn13．5Ag：它是許多無(wú)鉛焊料的基礎(chǔ)，溶點(diǎn)221℃(Sn—Pb焊料熔點(diǎn)為183℃)，液態(tài)下表面張力大，潤(rùn)濕性差，強(qiáng)度高，抗蠕變能力強(qiáng)。Sn一3．8Ag一0．7Cu：熔點(diǎn)217。C，Cu的引入不僅降低了熔點(diǎn)，而且顯著提高了潤(rùn)濕性能。245℃即具有良好的潤(rùn)濕性能。sn一3．4Ag．4．8Bi：熔點(diǎn)200。C-216。C，潤(rùn)濕性能[敏感詞]，表面最亮，耐熱疲勞和抗蠕變性能．Ag．Cu焊料相當(dāng)，強(qiáng)度優(yōu)異。—Pb。但是這種合金對(duì)鉛極其敏感，極少量的鉛也會(huì)使j乓熔點(diǎn)降至96。C，如果電路板暴露在100℃以上的溫度，焊點(diǎn)就會(huì)脫落。Au．20Sn：熔點(diǎn)280 6C，金錫合金與鍍金層成分接近，因此通過(guò)擴(kuò)散對(duì)非常薄的鍍層的浸潤(rùn)程度非常低。液態(tài)金錫合金粘度低，可填充大縫隙。此外，這種比例的焊料還具有高耐腐蝕性、高抗蠕變性和良好的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性。缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴，性能脆，延伸率低，不易加工。在某些特殊場(chǎng)合，需要良好的機(jī)械和導(dǎo)熱性能才能獲得高可靠性。Sn一52In：熔點(diǎn)1 18 6C，因?yàn)镮n的引入降低了錫合金的液相線和閻相線，也就是降低了熔點(diǎn)。該產(chǎn)品具有良好的焊接性能，特別是在真空環(huán)境或甲酸氣體保護(hù)環(huán)境下，屬于低溫焊料。但其耐熱性、延展性、合金變脆性、加工性等方面仍存在缺陷，因此僅適用于特殊工藝焊接。Sn一9Zn：熔點(diǎn)198℃。Sn—在Snn中，Zn是一種焊接材料。．Pb共晶焊料最接近熔點(diǎn)，其機(jī)械性能良好，價(jià)格低廉。但是Zn是一種反應(yīng)性很強(qiáng)的金屬，容易氧化導(dǎo)致浸潤(rùn)性變差。Sn—在焊料釬焊系統(tǒng)中，Zn的保存能力較差，長(zhǎng)時(shí)間放置會(huì)導(dǎo)致結(jié)合強(qiáng)度降低等諸多問(wèn)題。尤其對(duì)l來(lái)說(shuō)高溫放置50℃極為敏感。
三，共晶焊接設(shè)備的選擇
有許多設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)共晶焊接，例如真空HJ．氣氛控制共晶爐、鑷子共晶機(jī)、紅外冉流焊爐、箱式爐等。鑷子共晶機(jī)在共晶焊接過(guò)程中，在加熱臺(tái)周圍充氮作為保護(hù)氣氛，在共晶焊料熔化過(guò)程中，焊料表面形成的氧化膜通過(guò)鑷子摩擦或超聲波損壞，從而減少共晶過(guò)程中產(chǎn)生的空洞。雖然在共晶過(guò)程中用氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣氛，但畢竟暴露在大氣環(huán)境中。如果共享時(shí)間沒有很好的掌握，氧化膜會(huì)很快形成，共享后會(huì)產(chǎn)生空洞。同時(shí)，當(dāng)鑷子被困時(shí)，很容易使用比現(xiàn)在的爐子或使用更多的芯片。對(duì)于多芯片。共晶機(jī)
四，是影響真空環(huán)境下共晶焊接的因素
真空度及共晶焊接的保護(hù)氣氛
影響共產(chǎn)品焊接質(zhì)量的一個(gè)重要因素是真空度和保護(hù)氣氛。在共晶焊接過(guò)程中，如果真空度過(guò)低，焊接完成后，焊接區(qū)域周圍的氣體和焊料以及焊接器件時(shí)釋放的氣體很容易形成空洞，從而增加器件的熱阻，降低器件的可靠性，擴(kuò)大IC斷裂的可能性。但若真空度過(guò)高，在加熱過(guò)程中傳導(dǎo)介質(zhì)減少，容易產(chǎn)生共晶焊料達(dá)到熔點(diǎn)但尚未熔化的現(xiàn)象。普通共晶焊接的真空度為5Pa～1 OPa，但是對(duì)某些內(nèi)部需要真空度的設(shè)備而言，對(duì)真空度的要求往往較高，一般為5。×10也Pa～5×十刁Pa，甚至更高。保護(hù)性氣氛分為氮?dú)獗Ｗo(hù)焊和甲酸氣氛保護(hù)焊。對(duì)體積較大、對(duì)焊接空洞要求較低的設(shè)備，可采用氮?dú)獗Ｗo(hù)焊接。與紅外線再流焊爐或箱式爐相比，真空爐可先抽真空再充氮，循環(huán)幾次后，能使真空室保持較高的氮濃度。甲酸一般用于保護(hù)氣氛，通過(guò)流量控制，控制進(jìn)氣量，同時(shí)控制抽氣速度，使真空度保持在2000Pa，在高溫下能有效還原氧化物。設(shè)置共晶焊時(shí)溫度曲線。
溫度曲線的設(shè)置也是影響共晶焊接的重要因素。在共晶焊接過(guò)程中，溫度曲線一般包括加熱曲線和保溫曲線。加熱曲線和保溫曲線可以根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)設(shè)置為一段或多段。溫度曲線的設(shè)置包括加熱曲線的加熱溫度和加熱時(shí)間；保溫曲線的保溫溫度和保溫時(shí)間。