摘要：針對GaAs功率芯片共晶焊接工藝中，因焊接空洞、虛焊致使芯片燒毀的問題，對AuSn20共晶焊接技術進行研究。通過自動共晶設備，對共晶溫度曲線參數進行實驗分析。結果表明，共晶溫度曲線設置260℃、320℃的溫度梯度可以保證焊料的充分融化、浸潤，共晶熔融時間控制在15-30s可以形成適量的IMC層。對優化后的共晶焊接面進行熱阻分析，在滿負荷條件下，功率芯片最高節溫為93℃，滿足小于125℃的要求，說明共晶質量良好。

　　關鍵詞：功率芯片;AuSn20焊料;共晶焊接

　　1概述

　　GaAs功率芯片由于具有體積小、帶寬寬、一致性高等優點，在相控陣雷達、微波通信系統等領域發揮著重要的作用，成為雷達T/R組件的關鍵器件[1]。功率芯片與基板的焊接質量直接影響組件整體的可靠性與電學性能，因此必須要有良好的微波接地性能與散熱能力。

　　共晶焊接由于具有焊接強度高、剪切力強、連接電阻小、傳熱效率高等優點，因此廣泛應用于高頻、大功率器件和LED等高散熱要求的器件焊接中。共晶是指在相對較低的溫度下共晶焊料發生共晶物熔合的現象，共晶合金直接從固態變化到液態，而不經過塑性階段，其熱導率、電阻、剪切力、可靠性等均優于傳統的環氧粘接[2，3]。本文主要對微波GaAs功率芯片，AuSn20共晶焊接溫度曲線進行實驗分析，通過掃描電鏡研究合金層組織演變及界面，以此為基礎對共晶焊接工藝進行優化。

　　2試驗方法

　　實驗設備采用自動貼片機，壓力控制為10g250g，每次貼放均可編程控制，并具有壓力實時反饋系統，熱臺為脈沖加熱方式，具有實時溫度檢測系統。原材料清洗采用UV紫外光清洗機、BT等離子清洗機。對于實驗材料，不同尺寸的AuSn20焊料片采用劃片機進行機械切割[4]，之后進行酒精超聲清洗。墊塊采用1:2:1的Cu/Mo/Cu墊塊，表面濺射Ni、Pd、Au作為功率芯片的載體。

　　墊塊濺射完成后，依次經過酒精超聲→烘干→紫外光清洗→等離子清洗工序后備用。芯片采用GaAs功率芯片。實驗材料備好后以華夫盒形式放入貼片機供料臺上，然后通過編程來控制溫度曲線、壓力、刮擦等參數，整個共晶過程由貼片機自動完成，減小人為因素影響。共晶完成之后測量剪切力。

　　3實驗結果分析

　　共晶溫度曲線設定：共晶溫度曲線主要包括三個階段：預熱階段、共晶階段、冷卻階段。預熱階段主要作用是去除器件內水汽以及減小熱失配應力;共晶階段主要作用為共晶層熔融合金的形成，是共晶焊過程最重要的階段;冷卻階段為共晶完成后器件散熱降溫過程，冷卻溫度及速率會影響器件內部殘余應力的大小。

　　其中，T1為預熱溫度，一般比共晶溫度T2低30-60℃左右。T2為共晶溫度，T3為冷卻溫度，可設置為200-260℃。由于共晶溫度T2對共晶層質量影響最為顯著，對于T2采用單因素對比試驗進行確定。試驗結果分析可知，熱臺溫度為320℃時焊料完全熔融，可進行共晶焊接，為了增加AuSn焊料浸潤性、流動性，在金錫共晶焊時將共晶溫度設為320-330℃。另外，對于共晶溫度T2保持時間，通過對比試驗，使用掃描電子顯微鏡(COXEMEM-30)觀察不同T2時間下共晶層組織情況。

　　通過對比分析發現，隨著共晶時間的增加，IMC層厚度由0.373μm逐漸增至1.370μm，共晶160s之后IMC厚度增長緩慢。通過能譜分析可知，在焊料/鎳界面處形成由(Au，Ni)Sn和(Ni，Au)3Sn2組成的IMC復合層。分析可知，在共晶過程中，合金Ni元素逐漸向AuSn合金層擴散，使合金組織中固溶了少量Ni的(Au，Ni)Sn層逐漸增大，這導致IMC層的增長[5]。(Ni，Au)3Sn2層的增長會消耗焊料中的(Au，Ni)Sn。

　　因此到一定時間后，(Au，Ni)Sn層含量不再明顯變化而(Ni，Au)3Sn2逐漸增加。固態反應時金屬間化合物(IMC)的厚度與共晶熔融時間的平方根成正比，如下式所示，其中K為比例系數。d軈=K·姨t共晶焊接中異質金屬的連接需要IMC來實現，因此一定厚度的IMC層有助于提高焊接質量。但是IMC層為一種脆性化合物，過厚的IMC層會顯著降低焊接的剪切強度[6]。為保證形成適量厚度的IMC層，控制整體共晶時間為2-3min，其中共晶熔融時間為15-30s，此條件下IMC層厚度可控制在0.3μm-0.9μm之間，共晶芯片剪切強度超過9.15kgf，符合GJB548B-2005要求。

　　4測試驗證

　　共晶焊接相對于環氧焊接優勢在于其熱阻更小，能滿足大功率芯片的散熱要求，因此共晶焊接的熱阻情況十分重要。對于共晶焊結構的熱阻，可通過熱阻公式進行分析[7]：R=h/K·S其中，R為熱阻值，h為焊料層厚度，K為AuSn20焊料熱導率，S為焊料橫截面積。

　　分析過程按有源區擴散傳熱計算，按45°擴散計算，截面積按有效面積計算，即梯形面的中間剖面長寬積計算(粗實線所示)，焊料面按有效面積計算，最后可得整體熱阻為3.2259℃/W比環氧貼片熱阻減少58%。共晶完成后，進行實際加電檢測，測量共晶結構的散熱性能。對共晶芯片進行加電檢測，通過熱成像儀測試芯片表面節溫。芯片三級放大區域產熱較集中，因此此區域溫度較高。在滿負荷條件下，功率芯片最高節溫為93℃，滿足小于125℃的要求，說明共晶質量良好。

　　5結論

　　本文針對GaAs功率芯片共晶焊接中空洞、虛焊問題，通過掃描電鏡分析合金層組織演變及界面，對共晶溫度曲線進行實驗分析，結果表明，共晶溫度曲線設置260℃、320℃的溫度梯度可以保證焊料的充分融化、浸潤，共晶熔融時間控制在15-30s可以形成適量的IMC層。對優化的共晶焊接面進行熱阻分析，在滿負荷條件下，功率芯片最高節溫為93℃，滿足小于125℃的要求，說明共晶質量良好。

　　參考文獻：

　　[1]龐婷，王輝.真空共晶焊接技術研究[J].電子工藝技術，2017，38(1)：8-11.

　　[2]霍灼琴，楊凱駿.真空環境下的共晶焊接[J].電子與封裝，2010，10(11)：11-14.

　　[3]夏艷.3D集成的發展現狀與趨勢[J].中國集成電路，2011，146：23-28.

　　[4]胡永芳，姜偉卓，丁友石，等.芯片共晶焊接焊透率測量系統改進研究[J].現代雷達，2010，32(11)：97-100.

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