摘要共晶焊接是微电子组装中的一项重要焊接技术。本文简要介绍了联邦焊接的工作原理以及联邦焊接材料的选择和常用联邦焊接材料的性能特性。然后比较了几种共晶焊接设备的优缺点，采用真空可控气氛共晶炉在真空环境下完成共晶焊接可以有效防止共晶焊接过程中氧化物的产生，大大降低空洞率，从而提高焊接质量。也适用于多芯片组件的一次共晶。探讨了真空环境下影响共晶焊接质量的真空度、保护性气氛、焊接过程中的温度曲线、焊接时的压力等条件，得到了一些最佳的工艺方案，可适用于大部分共晶焊接工艺。真空扩散焊接加工方法有哪些种类的图片

关键词：共晶焊接、真空扩散焊接工艺曲线空洞

1、简介

随着微波混合集成电路向高性能、高可靠性、小型化、高均匀性及低成本方向的发展，对芯片焊接技术提出了越来越高的要求。当芯片、零件等与基板、管壳等载体互连时，实现的方法主要是导电粘合剂和共晶焊接。在微波频率高端或微波大功率情况下，共晶焊接具有的电阻率小、热导率小、热阻小、微波损耗小、可靠性高等优点表现得尤为明显。

2、共晶焊接原理

共晶焊接又称低熔点合金焊接，是指在较低温度下，共晶焊料发生共晶熔接的现象，共晶合金直接由固态变为液态，不经过塑性阶段。共晶焊料是由两种以上金属构成的合金，其熔点远低于合金中任一种金属的熔点。共晶焊料的熔融温度称为共晶温度，共晶焊料中的合金成分的比例不同，其共晶温度也不同。

3、共晶焊料的选择

焊料的选择是共晶焊接的一个非常重要的因素。不同材质的芯片、镀层厚度不同，焊料的选择标准也不同。例如，Si芯片背面Au仅蒸薄层μm～0.2μm、使用AuSn焊锡的话，芯片上镀的金“能吃”。因此，如何选择焊锡很重要。焊料中合金的比例不同，其共晶温度也不同。由于环保要求越来越严格，含铅焊料的应用越来越受到限制，近年来人们积极开发各种无铅焊料。选择无铅焊料的原则是：熔点尽量低，结合强度高，化学稳定性强。下面简单介绍常用无铅焊锡的一些特性：

Sn96.5Ag3.5：是许多无铅焊料的基础，熔点221℃（Sn-Pb焊料熔点183℃），液体下表面张力大，润湿性差，强度高，抗蠕变性强。真空扩散焊接加工方法有哪些种类的图片

Sn95.5Ag3.8Cu0.7：熔点217℃，Cu的引入不仅降低了熔点，而且大大改善了润湿性能。245℃具有良好的润湿性。

Sn91.8Ag3.4Bi4.8：熔点200℃~216℃，润湿性最好，表面最亮，热疲劳及耐蠕变性相当于Sn-Ag-Cu焊料，强度优于Sn-Pb。但是，该合金对铅极为敏感，即使极少量的铅也使熔点降低到96℃，当配线板暴露于100℃以上的温度时，熔点脱落。

Au80Sn20：熔点280℃，金锡合金接近镀层成分，因此扩散对薄镀层的浸润度低。

液态的金锡合金具有低的粘性，从而可以填充一些大的空隙，而且该比例的焊料还具有高的耐蚀性、高的耐蠕变改性以及良好的导热和导电性，其不足之处在于其价格高、性能脆、伸长率低、不易加工等。通常用于要求机械和导热性能优异以获得高可靠性的特殊情况。

52InSn48：熔点118℃，In的导入使锡合金的液相线和固相线降低，即熔点降低。它属于低温焊料，产品焊接性能良好，特别是在真空环境下或甲酸气体保护环境下。但由于其耐热疲劳性、延展性、合金脆性、加工性等方面仍存在缺陷，故仅适用于特殊工艺焊接。

Sn91Zn9：熔点198℃。Sn-Zn系焊料可以实现最接近Sn-Pb共晶焊料的熔点，其力学性能好，而且便宜。但是，Zn是反应性强的金属，容易氧化，浸润性变差。Sn-Zn系钎焊系统的保存性差，如果长期放置，则会产生结合强度变低等许多问题。特别是对150℃的高温放置非常敏感。真空扩散焊接加工方法有哪些种类的图片

4、共晶焊接设备的选择

实现共晶焊接的设备有多种，如真空可控气氛共品炉、镊子共晶机、红外再流焊接炉、箱型炉等。销组共品机在共品焊接过程中，在加热工作台周围填充氮气作为保护气氛，在共晶焊料熔融时，通过销组摩擦或超声波破坏在焊料表面形成的氧化膜，降低共晶过程中产生的空洞。在使用该设备的情况下，在共晶过程中将氮气作为保护气氛填充，但最终暴露于大气环境下，因此若对共晶时间的把握不好，则迅速形成氧化膜，在共晶结束后产生空洞。同时，镊子在进行摩擦过程时容易损伤芯片。对于多芯片实现一次共晶是困难的。

使用红外回流炉或罐式炉时必须使用焊剂。焊剂在钎焊温度下维持液态，可覆盖母材和焊料表面，起到抗氧化的作用。但其良好的挥发性容易对焊接炉体造成严重污染。同时，由于焊剂具有腐蚀性，因此在钎焊完成后，必须在短时间内清洗焊剂残渣。真空可控气氛共晶炉可在共晶焊接时提供真空环境或可控气氛（氮、氮、甲酸的混合气体等）。共晶焊接不需要使用焊剂。根据焊接对象的共晶特征，可设定工艺曲线，精确控制炉体内的共品环境，包括温度和时间、真空度、充气流量和时间等。准确的工艺环境控制和使用安全性，真空可控气氛共晶炉成为共品焊接的理想设备。真空扩散焊接加工方法有哪些种类的图片

5、真空环境下影响共晶焊接的因素

5.1共晶焊接时的真空度和保护气氛

真空度和保护气氛是影响共晶焊接质量的重要因素。在共晶焊接过程中，如果真空度过低，则焊接区域周边的气体及焊料、被焊接器件焊接时放出的气体在焊接完成后容易形成空洞，从而增加器件的热阻，降低器件的可靠性，扩大Ic破坏的可能性。但是，如果真空度过高，则在加热中传导介质变少，容易产生共品焊锡达到熔点但未熔化的现象。通常共晶焊接时的真空度为5Pa～10Pa，但在内部要求真空度的器件中，真空度的要求往往更高，一般为5×10-2Pa～5×10-3Pa，更高。

保护气氛分为氮气保护焊和甲酸气氛保护焊。对于体积较大且对焊接空洞要求不高的器件，可以用氮气保护焊接。与红外再流焊炉或箱式炉相比，真空炉可以先抽真空再充氮气，循环几次后，使真空室内保持较高的氮气浓度。使用含铟焊料时，一般使用甲酸保护气氛，通过流量控制，控制进气量，同时将真空度维持在2000Pa，控制抽气速度，使其能够在高温下有效地还原氧化物。真空扩散焊接加工方法有哪些种类的图片

5.2共晶焊接时的温度曲线的设定

共晶焊接的另一个重要影响因素是温度曲线的设定。共晶焊接过程中，温度曲线通常有升温曲线和保温曲线。升温曲线、保温曲线均可根据产品特点设定为1级以上。温度曲线的设定包括：升温曲线的升温温度、升温时间、保温曲线的保温温度、保温时间。

5.3共晶焊接时压力

共晶焊接时在芯片上施加压力的大小直接影响焊接质量。在使用可真空控制的气氛共晶炉在真空环境下实现共晶的情况下，往往对加热后的石墨夹具实施装置来完成对芯片的加压过程。不同产品的压力大小不同。压力范围通常为lg～50g，通过嵌段自重实现。对于特殊的夹钳，例如弹簧加压，有时会使用特殊的加压方式，这里不进行说明。真空扩散焊接加工方法有哪些种类的图片

6、小结

通过在真空环境下进行共品真空扩散焊接，可以防止焊接中的氧化物的产生。同时，如果在焊接中填充甲酸气等具有还原性的气体，也可以还原焊料中已经形成的氧化膜，从而减少空洞的产生，提高焊接质量。因此，通过大量的技术实验，制定适合产品的温度曲线，辅助真空或气氛保护施加一定的压力，可有效提高共品焊接质量。与大气环境下工作的共晶装置相比，真空共晶技术还可以实现多片一次性高质量真空扩散焊接。真空扩散焊接加工方法有哪些种类的图片