PDF《工业设计论文薄膜基板芯片共晶焊技术研究》

焊料片和芯片依次放在指定的位

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3 置,夹具中模块开有孔,用于焊料片和芯片的定位,保证芯片焊接过程中位置准确性;

夹具上模块开有圆孔,圆孔上 导入压块,压块可以对芯片施加一定压力,使芯片、焊片、基板紧密结合,促使焊料四周扩散,提高共晶面的均匀性 并减少空洞. 3.2薄膜金属化结构及厚度 薄膜金属化结构一般分三层,由内到外依次为:粘附层、阻挡层、易焊层.粘附层是与基板直接接触的金属层,要求 膨胀系数与Al2O3接近;

易焊层是与焊料接触的金属层,要求性能稳定、不易氧化、导热导电好、浸润焊料好;

阻挡 层为粘附层和易焊层之间的金属层,要求与粘附层和易焊层粘接牢固、热稳定性好、并且具有相近的热膨胀系数.经 过对比,我们确定选用Ti/Ni/Au膜系,Ti金属作为复合薄膜与基板的粘附层,可以有效提高复合薄膜的附着力;

Ni金 属的热膨胀系数在Ti金属与Au之间,这样Ni金属作为中间层不仅可以阻挡某些金属的过度扩散,而且也可以减小复 合膜的内应力,增强复合膜系的稳定性;

Au金属具有良好的稳定性,并且其导电、导热性能好,但是基板镀Au层厚 度以及焊料合金成分的变化,都会对焊接质量产生一定影响.从图3的AuSn相图中看出,在共晶体的富金一侧有非常 陡的液相曲线陡度,在高于共晶组成处,含金量仅增加3%~5%就可使液相温度从280℃提高到450℃以上,可见焊接 时过量的金熔解就会使焊料的熔融温度上升,从而造成浸润的困难,所以基板Au层在保证足够浸润与防护性的前提 下,厚度应尽可能小.基板膜层制作采用先溅射后电镀的方式,试验证明溅射Ti/Ni/Au总厚度为0.5μm,电镀后上层 Au厚度1.5μm对焊接质量最有利. 3.3真空度和气氛对共晶焊的影响 真空度和保护气氛是影响共晶焊接质量的一个重要因素.在共晶焊接过程中如果真空度太低,焊区周围的气体以及焊 料、被焊芯片焊接时释放的气体容易在焊接完成后形成空洞,从而增加焊接芯片的热阻.但如果真空度太高,在加热 过程中热导介质变少,容易产生共晶焊料达到熔点温度还没有熔化的现象,图4为不同真空试验条件下焊接空洞的对 比情况. 从图中看出,随着真空度的升高共晶焊的空洞面积呈递减趋势,真空度为1Pa时其空洞面积接近最小,以后随着真空 度的升高空洞面积呈平稳趋势,通过试验确定共晶焊的真空度为1Pa或者更高. 焊接气氛就是指在焊接时采用何种气体对焊接表面进行保护,不致因表面氧化而影响其焊接,同时焊接时为防止芯片 受污染,不允许使用助焊剂,因此为使低熔点合金焊料保持其表面洁净而不受氧化,焊接气氛显得尤为重要.一般选 氮气或氮气和氢气的混合气体作为保护气体.氮气能防止焊料氧化,降低焊料表面张力,保证焊料与金属表面充分润 湿.氢气作为还原气体,起到还原金属氧化物的作用.通过对共晶焊接环境的控制,能很好解决了焊接空洞的生成, 在芯片共晶焊时,共晶界面存在空洞是引起器件失效的主要原因.这是因为,共晶界面存在空洞会使接触电阻变大, 器件工作时使界面温度升高,从而引起器件失效.在GJB548中明确规定:共晶焊空洞率不能超过焊接总面积的50%. 图5是真空度1pa条件下采用氢-氮混合气体保护的X射线照相,从图中看出其空洞面积低于焊接面积的10%,空洞面积 的控制完全满足国军标的要求. 3.5工艺曲线设置 真空共晶焊过程主要包括:前处理、预热、焊接和冷却四部分.前处理阶段包括抽真空-充氮氢混合气体-抽真空,目 的是排除加热室内残留气体,防止焊料在高温时氧化,影响焊接质量;