GaAs功率芯片AuSn20共晶焊接技术研究

　　摘要：针对GaAs功率芯片共晶焊接工艺中，因焊接空洞、虚焊致使芯片烧毁的问题，对AuSn20共晶焊接技术进行研究。通过自动共晶设备，对共晶温度曲线参数进行实验分析。结果表明，共晶温度曲线设置260℃、320℃的温度梯度可以保证焊料的充分融化、浸润，共晶熔融时间控制在15-30s可以形成适量的IMC层。对优化后的共晶焊接面进行热阻分析，在满负荷条件下，功率芯片最高节温为93℃，满足小于125℃的要求，说明共晶质量良好。

　　关键词：功率芯片;AuSn20焊料;共晶焊接

　　1概述

　　GaAs功率芯片由于具有体积小、带宽宽、一致性高等优点，在相控阵雷达、微波通信系统等领域发挥着重要的作用，成为雷达T/R组件的关键器件[1]。功率芯片与基板的焊接质量直接影响组件整体的可靠性与电学性能，因此必须要有良好的微波接地性能与散热能力。

　　共晶焊接由于具有焊接强度高、剪切力强、连接电阻小、传热效率高等优点，因此广泛应用于高频、大功率器件和LED等高散热要求的器件焊接中。共晶是指在相对较低的温度下共晶焊料发生共晶物熔合的现象，共晶合金直接从固态变化到液态，而不经过塑性阶段，其热导率、电阻、剪切力、可靠性等均优于传统的环氧粘接[2，3]。本文主要对微波GaAs功率芯片，AuSn20共晶焊接温度曲线进行实验分析，通过扫描电镜研究合金层组织演变及界面，以此为基础对共晶焊接工艺进行优化。

　　2试验方法

　　实验设备采用自动贴片机，压力控制为10g250g，每次贴放均可编程控制，并具有压力实时反馈系统，热台为脉冲加热方式，具有实时温度检测系统。原材料清洗采用UV紫外光清洗机、BT等离子清洗机。对于实验材料，不同尺寸的AuSn20焊料片采用划片机进行机械切割[4]，之后进行酒精超声清洗。垫块采用1:2:1的Cu/Mo/Cu垫块，表面溅射Ni、Pd、Au作为功率芯片的载体。

　　垫块溅射完成后，依次经过酒精超声→烘干→紫外光清洗→等离子清洗工序后备用。芯片采用GaAs功率芯片。实验材料备好后以华夫盒形式放入贴片机供料台上，然后通过编程来控制温度曲线、压力、刮擦等参数，整个共晶过程由贴片机自动完成，减小人为因素影响。共晶完成之后测量剪切力。

　　3实验结果分析

　　共晶温度曲线设定：共晶温度曲线主要包括三个阶段：预热阶段、共晶阶段、冷却阶段。预热阶段主要作用是去除器件内水汽以及减小热失配应力;共晶阶段主要作用为共晶层熔融合金的形成，是共晶焊过程最重要的阶段;冷却阶段为共晶完成后器件散热降温过程，冷却温度及速率会影响器件内部残余应力的大小。

　　其中，T1为预热温度，一般比共晶温度T2低30-60℃左右。T2为共晶温度，T3为冷却温度，可设置为200-260℃。由于共晶温度T2对共晶层质量影响最为显著，对于T2采用单因素对比试验进行确定。试验结果分析可知，热台温度为320℃时焊料完全熔融，可进行共晶焊接，为了增加AuSn焊料浸润性、流动性，在金锡共晶焊时将共晶温度设为320-330℃。另外，对于共晶温度T2保持时间，通过对比试验，使用扫描电子显微镜(COXEMEM-30)观察不同T2时间下共晶层组织情况。

　　通过对比分析发现，随着共晶时间的增加，IMC层厚度由0.373μm逐渐增至1.370μm，共晶160s之后IMC厚度增长缓慢。通过能谱分析可知，在焊料/镍界面处形成由(Au，Ni)Sn和(Ni，Au)3Sn2组成的IMC复合层。分析可知，在共晶过程中，合金Ni元素逐渐向AuSn合金层扩散，使合金组织中固溶了少量Ni的(Au，Ni)Sn层逐渐增大，这导致IMC层的增长[5]。(Ni，Au)3Sn2层的增长会消耗焊料中的(Au，Ni)Sn。

　　因此到一定时间后，(Au，Ni)Sn层含量不再明显变化而(Ni，Au)3Sn2逐渐增加。固态反应时金属间化合物(IMC)的厚度与共晶熔融时间的平方根成正比，如下式所示，其中K为比例系数。d軈=K·姨t共晶焊接中异质金属的连接需要IMC来实现，因此一定厚度的IMC层有助于提高焊接质量。但是IMC层为一种脆性化合物，过厚的IMC层会显著降低焊接的剪切强度[6]。为保证形成适量厚度的IMC层，控制整体共晶时间为2-3min，其中共晶熔融时间为15-30s，此条件下IMC层厚度可控制在0.3μm-0.9μm之间，共晶芯片剪切强度超过9.15kgf，符合GJB548B-2005要求。

　　4测试验证

　　共晶焊接相对于环氧焊接优势在于其热阻更小，能满足大功率芯片的散热要求，因此共晶焊接的热阻情况十分重要。对于共晶焊结构的热阻，可通过热阻公式进行分析[7]：R=h/K·S其中，R为热阻值，h为焊料层厚度，K为AuSn20焊料热导率，S为焊料横截面积。

　　分析过程按有源区扩散传热计算，按45°扩散计算，截面积按有效面积计算，即梯形面的中间剖面长宽积计算(粗实线所示)，焊料面按有效面积计算，最后可得整体热阻为3.2259℃/W比环氧贴片热阻减少58%。共晶完成后，进行实际加电检测，测量共晶结构的散热性能。对共晶芯片进行加电检测，通过热成像仪测试芯片表面节温。芯片三级放大区域产热较集中，因此此区域温度较高。在满负荷条件下，功率芯片最高节温为93℃，满足小于125℃的要求，说明共晶质量良好。

　　5结论

　　本文针对GaAs功率芯片共晶焊接中空洞、虚焊问题，通过扫描电镜分析合金层组织演变及界面，对共晶温度曲线进行实验分析，结果表明，共晶温度曲线设置260℃、320℃的温度梯度可以保证焊料的充分融化、浸润，共晶熔融时间控制在15-30s可以形成适量的IMC层。对优化的共晶焊接面进行热阻分析，在满负荷条件下，功率芯片最高节温为93℃，满足小于125℃的要求，说明共晶质量良好。

　　参考文献：

　　[1]庞婷，王辉.真空共晶焊接技术研究[J].电子工艺技术，2017，38(1)：8-11.

　　[2]霍灼琴，杨凯骏.真空环境下的共晶焊接[J].电子与封装，2010，10(11)：11-14.

　　[3]夏艳.3D集成的发展现状与趋势[J].中国集成电路，2011，146：23-28.

　　[4]胡永芳，姜伟卓，丁友石，等.芯片共晶焊接焊透率测量系统改进研究[J].现代雷达，2010，32(11)：97-100.

　　电子论文投稿刊物：电子工艺技术(双月刊)创刊于1960年，由中国电子科技集团公司第二研究所主办。是我国唯一的电子行业生产技术的综合性科技期刊。