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2019-11-17

微波功率芯片焊后清洗剂合明科技分享:微波功率芯片真空焊接工艺研究

发布者:合明科技Unibright ; 浏览次数:366

微波功率芯片焊后清洗剂合明科技分享:微波功率芯片真空焊接工艺研究


摘 要:使用真空焊接技术焊接微波功率芯片可以降低焊接空洞率和提高焊接可靠性。微波功率芯片由于其表面存在空气桥,增加了焊接夹具的设计与制作难度,同时也增加了生产过程中的操作难度,因而研究微波芯片的真空焊接很有意义。阐述了采用金锡共晶焊料真空焊接微波功率芯片的相关问题,重点介绍了真空焊接原理和真空焊接工艺设计,根据实验结果总结和分析了影响焊接质量的因素。

关键词:微波功率芯片;真空焊接;金锡共晶焊接


微波功率芯片广泛应用于微波功放组件中,在微波通信中起着重要作用。由于微波功率芯片热功耗较大,要求芯片焊接后具有较好的散热性能[1]。一方面要求焊料具有较好的导热性能,另一方面要求微波功率芯片焊接具有较低的空洞率。由于金锡共晶焊料具有较好的热导率,采用金锡焊料焊接功率芯片具有较好的散热性能,此外金锡共晶焊料具有强度高,抗氧化性能好,抗热疲劳和蠕变性能优良,因而功率芯片普遍采用金锡共晶焊料焊接[2]。焊接空洞率也是影响导热的关键因素,使用真空炉在真空条件下焊接微波功率芯片,可以有效地降低焊接空洞率[3,4]。

微波功率芯片在真空炉中完成真空焊接过程,焊接过程中要求气氛、压力和温度可控,以实现焊接过程可控,提高微波功率芯片焊接可靠性。整个焊接过程中不同阶段的温度控制的准确性及其加热平台温度的均匀性对焊接质量有重要影响。真空炉可以提供真空环境、惰性气体环境和还原气氛环境,有效避免焊接过程中焊料的氧化,焊接处表面光亮;整个焊接过程中真空炉中气体压力可以调节,不同阶段设置不同气体压力,有利于降低焊接空洞率;能准确控制不同阶段的温度和升温速度,加热平台温度均匀性较好,为提高焊接质量提供一定保障。

微波功率芯片上存在空气桥,焊接夹具的压块不能直接施加在芯片表面,加大了焊接难度。一是焊接夹具设计和制作难度加大,需合理避开空气桥区域;二是焊接过程中使用焊接夹具的操作难度加大,位置稍有偏移就可能损坏空气桥。因此,焊接夹具的设计与制作在微波功率芯片的焊接中起着重要作用。我所产品研制过程中微波功率芯片需要使用真空焊接工艺,因此研究微波功率芯片的真空焊接工艺具有较好的实际意义。

1 真空焊接原理

焊料在真空条件或保护气氛下加热至熔点后熔化,与芯片背部金属和载体表面发生化学反应形成金属间化合物,实现芯片与载体的可靠连接。焊料熔化后,部分气体残余在芯片底部的焊料中,通过施加一定气体压力,减小残余气体的体积。根据:


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式中:P 1为施加气体压力前的气压;V 1为施加气体压力前的气体体积;T 1为施加气体压力前的温度;P 2为施加气体压力后的压力;V 2为施加气体压力后的气体体积;T 2为施加气体压力后的温度。

焊接过程中T 1与T 2基本相等,所以V 2/V 1=P 1/P 2,由此可知施加气体压力前气体压力越小,施加气体后气体压力越大,更有助于减小残留在芯片底部的气体体积,减小焊接空洞率。此外,在焊接过程中借助合适的夹具,在芯片上提供额外的压力,提高焊接接触面积,促进芯片与熔化焊料的反应,可减少焊接空洞率。

2 工艺试验

本试验主要研究装配结构、工艺曲线、焊接夹具以及芯片背金与载体镀层对芯片焊接质量的影响。试验样品采用的装配结构如图1所示,使用Au80Sn20焊片将芯片和电容焊接在载体上。芯片的真空焊接工艺过程体现于焊接工艺曲线,包括温度曲线和真空度曲线。温度曲线实时测量被焊接件的温度,真空度曲线实时反映炉腔内真空度值。温度曲线可分为四个阶段:预热、保温、焊接和冷却。


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本试验的温度曲线主要采用三种,如图2所示。曲线1保温时间较短,少于1min,焊接温度为320 ℃。曲线2保温时间适中,焊接温度300 ℃。曲线3保温时间适中,焊接温度320℃,研究不同的工艺过程对焊接质量的影响。得到较合适的工艺曲线后,研究芯片背金质量对焊接质量的影响。

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3 试验结果分析

3.1 装配结构的影响

微波功率芯片一般与电容同时焊接在载体上,典型的芯片装配结构有以下几种情况,如图3所示。如图3(e)所示的单个芯片焊接,过程相对简单,焊接夹具容易制作,能较好保证焊接质量。图3(a)、图3(b)与图3(c)所示的装配结构的焊接夹具制作难度不大,电容位置控制较容易,焊接后不容易发生偏移,因而能有效保证焊接质量。图3(f)结构的电容位置不易控制,且电容压块的稳定性较差,因而可能会影响焊接质量。图3(d)结构中存在两种不同电容,且高度不一致情况下焊接夹具较难制作,电容2的位置较难控制,焊接后容易偏移,影响整个装配结构的焊接质量,实际产品中应避免采用此种装配结构。

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3.2 工艺过程的影响

工艺过程对焊接质量的影响主要体现在保温阶段、焊接阶段和冷却阶段。采用工艺曲线3的芯片焊接空洞率较低。工艺曲线3的保温温度和时间、焊接温度与时间、冷却速度较合适。


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保温阶段主要控制保温温度和保温时间。试验结果表明,经过合适的真空保温过程,微波功率芯片焊接后的空洞率有明显降低,如图4所示。

焊接阶段主要影响因素是焊接温度和焊接时间。对于金锡共晶焊料,温度越高,焊料的润湿性会增强,但较高的焊接温度影响芯片的使用寿命与可靠性。在随炉温冷却条件下,较高的焊接温度意味着较长的焊接时间,焊料与镀金层结合处的金属间化合物层较厚,脆性较大,降低焊接可靠性,因此,较合适的焊接温度为310~320 ℃。试验表明较合适的焊接时间为30~60 s,较长的焊接时间不但影响芯片的使用寿命,而且由于形成较厚的金属间化合物,降低焊接可靠性。需要注意的是,焊接阶段一定要待焊料完全熔化后需保持真空状态,否则芯片底部存在一定残留气体,增加焊接空洞率。

冷却阶段时冷却速度较大情况下,有利于细化晶粒提高焊接可靠性。通过降低冷却水的温度与提高冷却气体的流速,可以提高真空炉的冷却速度。试验表明,在冷却速度达2 ℃/s,焊料结晶较细腻。冷却气体一般在焊料凝固后开启,否则在高压条件下,气体残留于熔化的焊料中,增大焊接空洞率。

3.3 焊接夹具的影响

焊接夹具主要功能是定位和提供压力。精密的焊接夹具,有助于提高焊接位置精度,提高焊接一致性。微波功率芯片表面存在空气桥,焊接夹具不能直接施加在芯片表面,对夹具的精密度要求更高。试验中我们采用非接触式焊接夹具,巧妙避开了空气桥区域,实现了低空洞率焊接,如图5所示,空洞率可低于1%。压块的压力应适中,较大的压力容易导致焊料熔化后溢出,增大焊接空洞率。而较小的焊接压力,芯片与载体的焊接界面接触不够充分,也会增大焊接空洞率。


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3.4 芯片背金与载体镀层的影响

芯片背金与载体镀金层质量对焊接质量影响较大。相同试验条件下,我们发现镀层表面粗糙度较小、镀层致密细腻,真空焊接后空洞率较低。镀层发黑、表面粗糙不致密,焊接试验后的X光照片可以明显发现,真空焊接后空洞率偏高,如图6所示,其主要原因是粗糙不致密的表面不利于金锡焊料的润湿,洁净度较差,焊接过程中易残留气体形成空洞。


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4 结束语

微波功率芯片采用真空焊接可以明显降低焊接空洞,空洞率可低于1%,但需控制工艺过程的保温温度与时间、焊接温度与时间、冷却速度、芯片背金与载体镀金质量,焊接过程需采用合适压力的焊接夹具。

 

参考文献:

[1]马丽琴.微波功率放大器印制基板散热工艺解决方案[J].电子工艺技术,2013,34(3):161-166.

[2]姜永娜, 曹曦明. 共晶烧结技术的实验研究[J].半导体技术,2005, 30(9): 53-58.

[3]林伟成. 用真空再流焊实现BGA的无铅无空洞焊接[J]. 电子工艺技术, 2008,29(6):324-327.

[4]李炳旺, 徐春叶. 半导体AuSn焊料低温真空封装工艺研究[J]. 电子与封装,2011,11(2): 4-8.



来源: 罗头平,寇亚男



以上一文,仅供参考!


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以上为合明科技在工业清洗方面的经验的累积,我们是国内自主掌握核心水基清洗技术的先创品牌,合明科技专注精密电子清洗技术20多年,是SMT贴装/DIP封装,功率半导体器件及芯片封装精密清洗工艺技术方案、产品、清洗设备提供商,也成为了IPC清洗标准主席单位。但是因为工业清洗问题内容广泛,没办法面面俱到,本文只对常见问题作分析,随着电子产业的不断更新换代,新的工艺问题也不断出现,本公司自成立以来不断追求产品的创新,做到与时俱进,熟悉各种生产复杂工艺,力争能为客户提供全方位的工业清洗解决方案。

 

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