文章來源：學(xué)習(xí)那些事

原文作者：前路漫漫

本文主要講述什么是共晶焊接。

共晶焊接的核心是通過形成異種金屬間的共晶組織，實(shí)現(xiàn)可靠牢固的金屬連接。在半導(dǎo)體封裝的芯片安裝過程中，首先要求芯片背面存在金屬層。通常，功率器件的背面金屬層為 Ti/Ni/Ag 結(jié)構(gòu);而普通芯片因背面為硅材質(zhì)，且共晶焊接溫度較高，同時(shí)這類芯片功率較小、發(fā)熱有限，對(duì)地電阻敏感度低，所以一般不采用共晶裝片，而是選擇導(dǎo)電膠黏結(jié)的方式。不過在特殊場(chǎng)景下，若基板焊盤表面經(jīng)過鍍金處理，也可對(duì)芯片純硅背面實(shí)施共晶加工，這類場(chǎng)景通常對(duì)可靠性和密封性有較高要求，具體過程將在后續(xù)詳述。在深入探討共晶焊接工藝前，先了解其基本原理。

當(dāng)兩種組元在液態(tài)可完全互溶、固態(tài)僅有限互溶且存在共晶轉(zhuǎn)變時(shí)，所構(gòu)成的二元合金相圖即為共晶相圖。像 Pb-Sn、Pb-Sb、Cu-Ag、Al-Si 等合金的相圖都屬于這一類型。以 Pb-Sn 合金相圖為例，這是典型的二元共晶相圖，其中水平線 CED 被稱為共晶線。在該水平線對(duì)應(yīng)的溫度(183℃)下，成分為 E 點(diǎn)的液相會(huì)同時(shí)結(jié)晶出成分為 C 點(diǎn)的 α 固溶體和 D 點(diǎn)的 β 固溶體，即 L→(α_C + β_D)。這種在特定溫度下，由特定成分的液相同時(shí)生成兩種成分與結(jié)構(gòu)均不同的新固相的轉(zhuǎn)變過程，稱為共晶轉(zhuǎn)變或共晶反應(yīng)。共晶反應(yīng)的產(chǎn)物是兩相構(gòu)成的機(jī)械混合物，稱為共晶體或共晶組織。發(fā)生共晶反應(yīng)的溫度稱為共晶溫度，代表共晶溫度與共晶成分的點(diǎn)稱為共晶點(diǎn)，具有共晶成分的合金則稱為共晶合金。在共晶線上，成分位于共晶點(diǎn)左側(cè)的合金為亞共晶合金，位于右側(cè)的則為過共晶合金。所有具有共晶線成分的合金液體，冷卻至共晶溫度時(shí)都會(huì)發(fā)生共晶反應(yīng)。在共晶反應(yīng)過程中，L、α、β 三相平衡共存，它們的成分保持固定，但各自的重量會(huì)不斷變化。

共晶合金(如合金 Ⅱ)的結(jié)晶過程如下：當(dāng)合金液體冷卻至共晶點(diǎn) E 時(shí)，液體同時(shí)被 Pb 和 Sn 飽和，進(jìn)而發(fā)生共晶反應(yīng)：L→(α_C + β_D)，析出成分為 C 的 α 相和成分為 D 的 β 相。反應(yīng)結(jié)束后，得到 α+β 的共晶組織。由于從成分均勻的液相中同時(shí)結(jié)晶出兩種成分差異顯著的固相，必然伴隨元素的擴(kuò)散過程。假設(shè)先析出富鉛的 α 相晶核，隨著其生長(zhǎng)，周圍液體將因鉛元素減少而錫元素富集，這為 β 相的形核創(chuàng)造了條件;而 β 相的生長(zhǎng)又會(huì)反過來促進(jìn) α 相的進(jìn)一步形核。如此一來，兩相交替形核、相互促進(jìn)，使得共晶組織通常較為細(xì)密，呈現(xiàn)片狀、針狀、棒狀或點(diǎn)球狀等形態(tài)?？傮w而言，共晶組織具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、機(jī)械性能優(yōu)良的特點(diǎn)，能夠在異種金屬間形成穩(wěn)固的連接。

共晶焊接的具體方式是：利用芯片背面的金硅合金，與基座或引線框架上鍍層(如銀層)在高溫氨氣氛保護(hù)下(溫度范圍 400~440℃)發(fā)生反應(yīng)形成合金，從而實(shí)現(xiàn)芯片的固定。這種工藝要求芯片背面預(yù)先蒸鍍金層，其導(dǎo)電與導(dǎo)熱性能優(yōu)異，適用于尺寸較小的芯片，尤其適合功率晶體管芯片。與采用合金焊料的裝片方式相比，這種方式更有利于芯片工作時(shí)的散熱。

共晶焊接技術(shù)在電子封裝領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，涵蓋芯片與引線框架或基板的連接、基板與管殼的裝配、管殼封帽等場(chǎng)景。與傳統(tǒng)的環(huán)氧導(dǎo)電膠連接相比，共晶焊接具有熱導(dǎo)率高、電阻小、傳熱迅速、可靠性強(qiáng)、連接后剪切力大等優(yōu)勢(shì)，適用于高頻、大功率器件中芯片與基板、基板與管殼的互聯(lián)。對(duì)于有較高散熱需求的功率器件，采用共晶焊接能有效提升散熱效率。

共晶焊接借助共晶合金的特性完成焊接過程，共晶合金具有以下特點(diǎn)：①熔點(diǎn)低于純金屬組元，相較于熔化焊工藝大幅簡(jiǎn)化了操作流程;②流動(dòng)性優(yōu)于純金屬組元，凝固過程中可避免枝晶對(duì)液體流動(dòng)的阻礙，鑄造性能更優(yōu);③恒溫轉(zhuǎn)變(無凝固溫度范圍)減少了偏聚、縮孔等缺陷;④共晶凝固能形成多種顯微組織，尤其是規(guī)則排列的層狀或桿狀共晶組織，可成為性能優(yōu)異的原生復(fù)合材料。

共晶現(xiàn)象指共晶焊料在較低溫度下發(fā)生共晶成分的熔合，此時(shí)共晶合金直接從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，不經(jīng)過塑性階段，其熔化溫度被稱為共晶溫度。“真空 / 可控氣氛自動(dòng)共晶爐” 是近年來國(guó)際上推出的新型設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)各類器件的共晶工藝。該設(shè)備在共晶過程中無需使用助焊劑，且具備抽真空或充惰性氣體的功能 —— 在真空環(huán)境下進(jìn)行共晶能有效減少空洞，若配合專用夾具，還可實(shí)現(xiàn)多芯片的一次共晶操作。

真空 / 可控氣氛自動(dòng)共晶爐主要用于芯片焊接，其中芯片與基板的焊接是其核心應(yīng)用方向。通常采用金錫(AuSn 80/20)、金硅(AuSi)、金鍺(AuGe)等合金焊片，將芯片焊接至基板(載板)上。具體操作時(shí)，需將合金焊片置于芯片與基板間的焊盤位置。為防止氧化物生成，芯片背面通常會(huì)鍍一層金。上述三種合金焊料已在半導(dǎo)體器件中成功應(yīng)用，具備優(yōu)良的機(jī)械性能與熱傳導(dǎo)性。

在微波、毫米波電路中，常用的合金焊料為 AuSn(熔點(diǎn) 280℃)和 AuGe(熔點(diǎn) 365℃)。由于兩者熔點(diǎn)差異較大，實(shí)際應(yīng)用中一般先用 AuGe 合金將膜電路焊接在載板上，再用 AuSn 合金焊接微波芯片、電容等元器件。為避免芯片等元器件受到高溫?zé)釠_擊，部分企業(yè)采用 AuSn 合金將薄膜電路共晶焊接到載板，而其他芯片元器件則采用導(dǎo)電膠焊接。

在多芯片組件中，焊接芯片與基板所用的材料及組裝工藝，與混合電路中的應(yīng)用大致相同。和混合電路類似，90% 以上的多芯片組件會(huì)使用低成本且易于返修的環(huán)氧樹脂;焊料或共晶焊接法則主要用于大功率封裝的內(nèi)部互聯(lián)，或需滿足宇航級(jí)要求的封裝互聯(lián)，相關(guān)細(xì)節(jié)將在后續(xù)特種封裝章節(jié)中詳細(xì)說明。

多芯片組件作為當(dāng)前微組裝技術(shù)的典型產(chǎn)物，是一種能滿足民用、軍用、宇航電子裝備及巨型計(jì)算機(jī)在微小型化、高可靠性、高性能等方面迫切需求的先進(jìn)微電子組件。它將多個(gè)芯片及其他片式元器件集成在一塊高密度多層互連基板上，并封裝于管殼內(nèi)。憑借高密度、高性能、高可靠性、輕重量、小體積等顯著優(yōu)勢(shì)，多芯片組件被廣泛應(yīng)用于航空航天、軍用通信、常規(guī)武器等軍事領(lǐng)域。目前，多芯片組件在密度持續(xù)提升的同時(shí)，正朝著大功率、高頻方向發(fā)展，而多芯片共晶內(nèi)互聯(lián)工藝是推動(dòng)大功率、高頻器件制造水平提升的關(guān)鍵技術(shù)。

使用真空 / 可控氣氛自動(dòng)共晶爐進(jìn)行芯片共晶焊接時(shí)，需重點(diǎn)關(guān)注以下問題：

1)焊料的選擇。焊料是共晶焊接的核心要素，可作為焊料的合金種類多樣，如 AuGe、AuSn、AuSi、SnIn、SnAg、SnBi 等，每種焊料因自身特性適用于不同場(chǎng)景。例如，含銀的 SnAg 焊料易與鍍銀端面結(jié)合，含金、銦的合金焊料則易與鍍金端面接合。根據(jù)被焊件的熱容量，共晶爐的焊接溫度通常需設(shè)定為高于焊料合金共晶溫度 30~50℃。此外，芯片的耐溫能力與焊料共晶溫度的匹配也是關(guān)鍵 —— 若焊料共晶溫度過高，可能改變芯片材料的物理化學(xué)性質(zhì)，導(dǎo)致芯片失效。因此，選擇焊料時(shí)需綜合考慮鍍層成分與被焊件的耐受溫度。另外，焊料存放時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致表面氧化層過厚，由于焊接過程無人工干預(yù)，氧化層難以去除，熔化后殘留的氧化膜會(huì)造成焊接空洞。雖然焊接時(shí)向爐腔充入少量氫氣可還原部分氧化物，但最好使用新焊料以將氧化程度降至最低。

2)溫度控制工藝曲線參數(shù)的設(shè)定。共晶焊接技術(shù)主要應(yīng)用于高頻電路、大功率電路以及需滿足宇航級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的電路。焊接過程中的熱量流失、熱應(yīng)力、環(huán)境濕度、顆粒雜質(zhì)及沖擊振動(dòng)等，是影響焊接質(zhì)量的關(guān)鍵因素。其中，熱損傷會(huì)導(dǎo)致薄膜器件性能下降;濕度過高可能引發(fā)部件黏連、磨損及異常附著;散熱部件功能失效則會(huì)阻礙熱量傳導(dǎo)。

共晶焊接中常見的問題是加熱基座溫度低于共晶溫度，此時(shí)焊料雖能熔化，但不足以促使芯片背面鍍金層擴(kuò)散，操作者易誤將焊料熔化當(dāng)作共晶完成;反之，加熱基座持續(xù)工作時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)造成電路金屬層損壞。因此，共晶過程中溫度與時(shí)間的精準(zhǔn)控制至關(guān)重要。

由于共晶所需溫度較高(尤其是采用 AuGe 焊料時(shí))，對(duì)基板及薄膜電路的耐高溫性能提出了明確要求 —— 需耐受 400℃高溫，且在此溫度下電阻與導(dǎo)電性能不受影響。值得注意的是，共晶溫度控制并非簡(jiǎn)單達(dá)到某一固定值，而是要經(jīng)歷完整的溫度曲線變化過程。在此過程中，設(shè)備需具備處理抽真空、充氣、排氣等隨機(jī)事件的能力，這也是共晶爐的核心功能之一。

多芯片共晶的溫度控制與單芯片存在顯著差異。因芯片材料、共晶焊料不同，其共晶溫度往往存在差異，此時(shí)需采用階梯式共晶工藝：先處理共晶溫度較高的焊料，再處理溫度較低的焊料。共晶爐控制系統(tǒng)可預(yù)設(shè)多條溫度曲線，每條曲線可設(shè)置 9 個(gè)階段，通過鏈接擴(kuò)展后最多可達(dá) 81 個(gè)階段，且在曲線運(yùn)行中可穿插充氣、抽真空、排氣等工藝步驟。

3)降低空洞率。共晶完成后，空洞率是一項(xiàng)核心檢測(cè)參數(shù)，如何有效降低空洞率是共晶工藝的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)?？斩吹男纬赏ǔＥc焊料表面氧化層、微小雜質(zhì)顆粒、熔化時(shí)未排出的氣泡有關(guān)。氧化層會(huì)阻礙金屬表面結(jié)合物的相互滲透，其殘留縫隙在冷卻凝固后形成空洞;雜質(zhì)與氣泡也會(huì)直接導(dǎo)致空洞產(chǎn)生。

共晶焊接產(chǎn)生的空洞會(huì)降低器件可靠性，增加芯片斷裂風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)導(dǎo)致器件工作溫度升高、管芯粘貼強(qiáng)度下降，進(jìn)而影響焊接效果及整體電氣性能。降低空洞率的主要措施包括：①共晶前徹底清潔器件與焊料表面，清除各類雜質(zhì);②共晶過程中在器件上方設(shè)置加壓裝置，直接施加正向壓力;③在真空環(huán)境下執(zhí)行共晶操作。

4)實(shí)現(xiàn)多芯片一次共晶。在多芯片組件的共晶過程中，隨著芯片尺寸不斷縮小、數(shù)量持續(xù)增加，必須采用專用工裝夾具輔助完成。這類夾具不僅要能固定芯片與焊料的位置，還需具備操作便捷、耐受高溫環(huán)境且形態(tài)穩(wěn)定的特性。由于部分芯片尺寸僅 0.5mm2 甚至更小，人工定位難度大，操作不便，因此共晶爐通常適用于焊接 1mm2 以上的芯片。共晶過程中，氣流變化可能導(dǎo)致芯片移位，故借助夾具定位是必要環(huán)節(jié)。

夾具除需滿足加工精度要求外，還需能在高溫下保持形態(tài)穩(wěn)定，其物理化學(xué)性質(zhì)不會(huì)因高溫發(fā)生改變，或其變化不會(huì)對(duì)共晶過程產(chǎn)生不利影響，甚至能輔助提升共晶效果。同時(shí)，夾具材料需易于加工，否則會(huì)阻礙功能實(shí)現(xiàn)，且操作便利性也是重要考量因素。高純石墨基本符合上述要求，因此共晶爐夾具多選用此類材料，其特點(diǎn)包括：①高溫下變形量小，對(duì)器件影響輕微;②導(dǎo)熱性能優(yōu)異，利于熱量傳遞，能保證溫度均勻性;③化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)，長(zhǎng)期使用不易變質(zhì);④可塑性好，便于加工成型。在氧化環(huán)境中，石墨中的碳會(huì)生成 CO 和 CO?，具有干燥氧氣的作用。此外，石墨屬于各向同性材料，晶粒在各方向分布均勻密集，受熱時(shí)溫度均勻，焊接元器件固定于石墨上時(shí)，熱量可直接傳導(dǎo)，確保加熱均勻、焊接面平整。

5)基板與管殼的焊接。與芯片和基板的焊接流程相類似，基板與管殼的焊接也是共晶焊接的重要應(yīng)用領(lǐng)域。因基板通常尺寸大于芯片，且材質(zhì)更厚更堅(jiān)硬，對(duì)定位精度要求較低，共晶爐能更高效地完成這類焊接操作。

6)封帽工藝。器件封帽是共晶爐的另一項(xiàng)應(yīng)用。器件外殼多采用陶瓷等基材，外部鍍金鎳層制成?！疤沾煞庋b” 在實(shí)際應(yīng)用中因裝配便捷、內(nèi)部連接易于實(shí)現(xiàn)且成本較低，成為優(yōu)選封裝方案。陶瓷材質(zhì)能抵御惡劣外部環(huán)境，如高溫、機(jī)械沖擊與振動(dòng)，且硬度高，熱膨脹系數(shù)接近硅材料。這類器件的封裝可采用共晶焊接方式：陶瓷腔體上部設(shè)有密封環(huán)，用于與蓋板進(jìn)行共晶焊接，以實(shí)現(xiàn)氣密或真空封焊。通常金層厚度需達(dá)到 1.5μm，但由于工藝處理及高溫烘烤的需求，腔體與密封環(huán)需電鍍 2.5μm 的金層，多余的金層可防止鎳遷移。鍍金蓋板可作為陶瓷管殼的氣密性封焊材料，共晶前通常需進(jìn)行真空烘烤處理。此外，共晶爐還可應(yīng)用于芯片電鍍凸點(diǎn)再流成球、共晶凸點(diǎn)焊接、光纖封裝等工藝環(huán)節(jié)。

芯片背面采用不同合金材料時(shí)，在裝片過程中其周邊會(huì)出現(xiàn)不同的合金溢出情況。其中，采用五層背金或六層背金的芯片，其周邊未出現(xiàn)合金溢出的痕跡;而采用 AuGe 背金的芯片，周邊則有明顯的合金溢出跡象，不同合金背金的溢出表現(xiàn)存在顯著差異。

共晶焊接裝片工藝同樣存在一定的局限性。由于共晶裝片需要依靠機(jī)械手施加向下的壓力才能形成良好的共晶結(jié)構(gòu)，若裝片機(jī)械手上的吸嘴截面與芯片不平行，會(huì)導(dǎo)致芯片受力不均，進(jìn)而出現(xiàn)芯片一側(cè)與銀形成牢固的共晶合金連接，而另一側(cè)連接不牢固的現(xiàn)象。同時(shí)，加壓時(shí)間與壓力大小均有明確規(guī)定值。相關(guān)研究針對(duì)芯片表面材料的極限應(yīng)力表明，當(dāng)壓強(qiáng)在 50MPa 以內(nèi)時(shí)，芯片處于安全狀態(tài)(硅的臨界壓強(qiáng)值為 53.6MPa)。