真空共晶焊空洞研究的发展现状与发展趋势 - 图文

真空共晶焊空洞研究的发展现状与发展趋势

摘要：近年来，真空共晶焊焊接技术在国内快速发展，并广泛运用于电子封装行业，如芯片与基板的粘接、基板与管壳的粘接、管壳封帽等。与传统的环氧导电胶粘接相比具有热阻小和可靠性高的优点。但具有低空洞率的真空共晶焊的焊接工艺设置仍需要探讨。本文参考了真空共晶焊的国内外发展现状，阐述了真空共晶焊原理和工艺过程，并着重分析了真空共晶焊空洞缺陷的产生机理、空洞分类、空洞率计算、空洞检测、空洞评价标准和空洞率控制措施，最后预测了未来对空洞率的要求和控制方案。

关键词：真空共晶焊；空洞；空洞率；控制措施

The Void of Vacuum Eutectic Welding’s Development Present Situation

and Development Trend

Abstract: In recent years, the vacuum eutectic solder welding technology is rapidly developing in the domestic and widely used in electronic packaging industry, such as chip and the substrate bonding, base plate and shell of the adhesive, shell sealing cap, etc. Compared with traditional epoxy conductive adhesive joint, it has the advantages of small thermal resistance and high reliability. But with low void rate of vacuum eutectic solder welding process’s settings still is needed to discuss. In this paper, the reference of vacuum eutectic solder development situation is at home and abroad, this paper expounds the vacuum eutectic welding principle and process. Analyzing the void generating mechanism of vacuum eutectic welding hollow defect classification, void rate calculation, the assessment standard of void and the rate of void controlling measures.

Key words:Vacuum Eutectic Welding; Void; The rate of void; Control measures

1国内外研究现状

在上个世纪七十年代初期，国外已有了真空共晶焊的研究

[1]，现在可以说真空共晶焊是比较成熟的焊

[2]接工艺，对于真空共晶焊空洞缺陷问题，也有很多学者研究过，如Byung-Gil Jeong等人对RF-MEMS器

件做了加压可靠性测试、高湿度存储可靠性测试、高温存储可靠性测试、温度循环可靠性测试等4种测试，测试后放置室温条件1h后发现Au80Sn20预成型焊框出现了空洞。Michael David Henry

[3]等人对Au-Si共

晶焊进行了研究，研究表明如果用于防焊料扩散的扩散隔膜层（主要成分是铂）温度接近375℃，此温度高于Au-Si的共晶温度，基板表面会产生化学反应，从而生成微空洞，影响焊点键合强度和气密性。Ngai-Sze LAM

[4]等人在多个LED工作在6W情况下，比较了夹头加热和流体回流加热两种共晶（焊料为AuSn）方

式下的空洞率，结果表明夹头加热方式焊片的平均空洞率为8.8%，优于流体回流加热方式下的焊片平均空洞率40%。

国内在上个世纪八十年代初已有学者研究真空共晶焊如上海大学的殷录桥

[6][5]。目前，国内已有不少对真空共晶焊的研究，

通过理论计算、实验测试的手段研究了真空共晶焊空洞对LED热阻、共晶压力对

[7]LED器件光电性能的影响。西南电子技术研究所的贾耀平选用了Au80Sn20焊料对毫米波GaAs功率芯

片的焊接工艺进行了较为系统深入的研究，对焊接时气体保护、焊片大小、焊接压力、真空工艺过程的施加和夹具设计等因素进行了试验分析，用X射线检测，结果表明，GaAs功率芯片焊接具有较低的空洞率，焊透率高达90%以上。中电集团58所的陈波

[8]等人探讨了真空烧结、保护气氛下静压烧结、共晶摩擦焊

- 2 -

等共晶焊方式在相同封装结构、不同共晶焊接工艺下焊接层孔隙率，以及相同工艺设备、工艺条件下随芯片尺寸增大孔隙率的变化趋势，结果表明Au-Si共晶摩擦焊孔隙率低于另两种方式；同一焊接工艺，随着芯片尺寸变大，其孔隙率变化不显著，但单个空洞的尺寸有明显增大趋势。南京电子技术研究所的胡永芳

[9]等人介绍了X射线设备的检测原理和超声扫描设备检测原理，通过多次不定期的进行样件X射线检测，

发现其测量系统分析不太稳定，对测量真值、测量的重复性和再现性不能控制，后经制订标样，采用超声扫描设备进行标样的空洞率检测，此方法测量值是真实可靠的，对产品的工艺检验评价起到了至关重要的作用。中电集团2所的张建宏

[10]

等人分析了真空环境对共晶焊接的影响，在原有设备增加了分子泵的情

况下实现无空洞焊接。对甲酸气体保护下的In焊料焊接进行了分析，并结合实际经验给出合理的工艺曲线，证实了在真空室加入甲酸气体的保护下，可以把In焊料表面的氧化层去除，使焊料在浸润性方面具有明显的优势。

2真空共晶焊

2.1真空共晶焊原理

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到液态，而不经过塑形阶段。其熔化温度成为共晶温度。真空共晶焊就是在真空的环境下充保护气体，加热使共晶焊料共晶达到芯片与基板或管壳互连的目的。

“真空/可控气氛共晶焊炉”是国际上近十年推出的新设备

[11]

，如图1所示，可实现器件的各种共晶

工艺；共晶时无需使用助焊剂，并具有抽真空或充惰性气体的功能，在真空下共晶可以有效减少共晶空洞；如辅以专用的夹具，则能实现多芯片一次共晶，夹具如图2所示。

图1 真空共晶炉 图2 炉内夹具

2.2 真空共晶焊工艺流程

以Au80Sn20（共晶温度280℃）焊料为例，具体的工艺流程是：芯片与基板或芯片与管壳间放置焊料片，在芯片与焊料形成紧密接触

[12]

，充氮气将焊接气氛，即炉内抽真空并充高纯氮、氢气或者氮氢混

合气体，再从室温升至240℃进行预热，使整个焊接芯片模型受热均匀，并在240℃~270℃之间进行缓慢升温，以去除基板表面吸附的水，然后升温至310℃~330℃的峰值温度，使焊料熔融并充分浸润焊接面，

- 3 -

再降温至100℃以下完成焊接，为防止芯片开裂和降低空洞率，焊接工艺流程图、温度曲线如图3、图4所示。

开始 抽真空 充氮气 加热到240℃ 加热到270℃ 加热到305℃ 305℃保持5~30s，并抽真空 冷却至100℃以下 停止

图3 真空共晶焊工艺流程 图4 真空共晶焊温度曲线

[7]

2.3 真空共晶焊焊料及其应用

焊料是共晶焊接非常关键的因素。有多种合金可以作为焊料，如AuGe、AuSn、AuSi、SnIn、SnAg、SnBi等，各种焊料因其各自的特性适于不同的应用场合。真空共晶焊常用的焊料有Au80Sn20、Au97Si3、Au88Ge12三种成分，表1为三种常用焊料的参数对比。

1 不同焊料参数对比

焊料 Au80Sn20 Au88Ge12 Au97Si3 [13]

电阻率/10?6共晶温度/℃ 热导率/W(mK)280 356 370 251 232 293 ?1? 35.9 28.7 77.5 三种焊料的熔点各不相同，选取时要综合考虑焊接膜层及厚度、基板和芯片所能承受的最高温度等因素，通过表1对比，其中Au80Sn20焊料的熔点最低，导热性、电阻率都良好，并且焊料中Au占了很大的比重，材料表面的氧化程度较低，所以焊接中无需助焊剂，避免了因使用助焊剂对半导体芯片形成的污染和腐蚀。因为被焊接件几何尺寸小、气密性和平整度要求高，所以一般采用预成型焊片进行焊接。真

- 4 -

空共晶焊预成型焊料的应用如下图5、图6、图7所示。

[14]

图5 金属管壳气密封装（预成型焊料环）

图6 芯片高散热粘接（预成型焊料片）

图7 预覆焊片的金属盖板（预成型焊料框）

3真空共晶焊空洞

3.1真空共晶焊空洞产生机理

空洞形成的根本原因，是因为气泡的残留或引入，当芯片背面金属层、焊料、基板金属薄膜层这些层之间的界面中残留或引入气泡，而气泡受内部气体压力、收缩压力、静力学压力、真空炉内大气压力以及表面张力的联合作用（其中前两个力由内向外的力，称之为P，当内，其余为由外而内的力，称之为P外）

P内?P外，气泡就会生长和移动，易于溢出；当P内?P外，空洞体积缩小，这种溢出也会被抑制。从体积

方面来说高温情况下气体体积膨胀，小气泡变成大气泡溢出表面，而低温则阻止小气泡的生长。所以，当气泡存在而粘接工艺又未能把气泡完全赶出时，气泡就在芯片背面金属层和焊料层间、焊料层内或者焊料与基板上金属薄膜层被存储，空洞就形成了3.2空洞分类

[15]

。

真空共晶焊空洞分类与BGA焊球的空洞类别和形成原理类似。下面是BGA焊球中的空洞分类。BGA焊球空洞按位置分可分成五类：A类、B类、C类、D类、E类共五类

[16]

。

- 5 -

（1）芯片侧界面空洞（A类）

这类空洞是指在系统组装再流焊接过程中，在芯片界面上所存在和发生的空洞。将其取名为芯片侧面空洞。这种空洞可能是由原有的封装界面空洞，在板级组装过程中发展和扩大而成，如图8（a）所示。也可能是在系统组装中新形成的，如图8（a）、图8（b）所示。

图8 A类空洞

（2）PCB侧界面空洞（B类）

这类空洞是指再流焊接过程中发生在于钎料球和PCB界面直接连通的空洞，我们称之为组装界面空洞，如图9所示。

图9 B类空洞

（3）焊球内部空洞（C类）

在板级系统组装再流焊接过程中，将在钎料球内部所形成的且不与界面直接连通的空洞，定义为钎料球内部空洞。如图10所示。

图10 C类空洞

在完成了板级组装后，钎料球内的空洞。这类空洞通常在再流焊接过程中，由于熔融钎料在固化过程中截留了助焊剂的挥发物而形成的。通常这类空洞若未受到外部因素的影响，其尺寸都比较小。由于空洞内的气体受垂直方向的压迫力较大，因此，其形状大多都呈横向椭球形。

（4）盲孔空洞（D、E类）

在板级组装过程中形成的与盲孔相连通的空洞，其形成原因如下。

①在印刷焊膏和贴装BGA过程中，焊膏底部的盲孔内截留了气体。在再流焊接过程中，截留的气体和焊膏的可挥发物逸散通道不畅，导致D类空洞的形成。如图11所示。

- 6 -

图11 D类空洞

②盲孔壁存在微裂纹，在再流焊接温度作用下，积蓄在基板材料内的可挥发物（如湿气）通过盲孔壁的微裂纹大量向钎料球内排放，与焊膏中可挥发物形成的气体汇合而形成了E类空洞。此类空洞尺寸最大，危害也最大。因此，从焊点可靠性角度来看此类空洞是备受关注的，如图12所示。

图12 E类空洞

D和E类空洞外部形状大多呈上圆下尖的泪滴形。

此外BGA空洞还可以按形成时间分类，如焊球植球时形成的空洞、再流焊后形成的空洞、使用时形成的空洞等。

图13 真空共晶焊空洞

针对真空共晶焊，但其焊料采用的是预成型焊片，基板可能是陶瓷基板或者FR4基板等，此外真空共晶焊也会在基板下打埋孔，如裸芯片真空共晶焊后与LTCC基板采用锡铅再流焊，而锡铅下打盲孔装金属柱通向微通道，以形成良好的散热。所以真空共晶焊的空洞按空洞位置可分为五类空洞：芯片侧界面空洞、基板侧界面空洞、焊料片内部空洞、盲孔空洞、埋孔空洞。同时，真空共晶焊的芯片侧界面空洞类似于BGA焊球的A类空洞，基板侧界面空洞类似于BGA焊球的B类空洞，焊料片内部空洞类似于BGA焊球C类、D类空洞，盲、孔空洞类似BGA焊球E类空洞，另外真空共晶焊的基板上也镀了Ni/Au等金属薄膜层，故真空共晶焊的这两类空洞的形成原理也类似于上述BGA焊球空洞形成机理，真空共晶焊空洞如图13所示。

3.3各类空洞形成的机理

（1）组装界面空洞（A类、B类）

- 7 -

①由Kinkendall扩散效应所形成。这种空洞一般非常微小，较难发现，但对焊点强度会有一定影响。 ②由于Ni/Au涂层的Au层上的针孔，造成与针孔底部的Ni层局域氧化。再流焊接时，被Au覆盖的Ni当Au被溶入钎料中去后，其原覆盖的面被钎料润湿而形成Ni3Sn4等合金层。而被氧化的Ni部分则不能被钎料所润湿，因而在焊盘与钎料球之间的界面上，变出现了弥漫性的若干小孔洞。

（2）钎料球内部空洞（C类、D类空洞）

当焊盘上不存在微盲孔时，此时可挥发物的来源，应该说就只有来源于焊盘、焊膏表面吸湿和助焊剂溶剂挥发物及去氧化学反应生成的水汽了。照理说这来源有限的挥发物，经历了预热（浸渍）区和再留区后绝大部分都应逃逸了，即使有部分未来得及逃逸被截留在钎料体内，通常这种空洞应是很小的。只有出现下述两种情况时才会出现大空洞，甚至特大空洞。

（3）盲、埋孔空洞（E类空洞）

当PCB受到破坏，或加工中出现局部漏胶等问题时。积存在基材内部的湿气便沿着被撕裂的微裂缝泄放到钎料球内，形成盲、埋孔类空洞。当挥发出来的潮气太多时，便会在钎料球的最薄弱处胀裂。此类空洞的尺寸通常都是最大的，故要特别关注。 3.4空洞率的计算

图14 Gurson's 模型

[17]

空洞包括空洞成形、空洞生长、空洞连接。如图14所示。 空洞率方程

[18]

：

f?f??growth?f?nucleation （式3-1）

其中，f是空洞率。 微观等效塑性方程：

?p???pp?:?(1?f)?Y （式3-2）

其中，?是微观等效塑性应变，?是柯西应力（即应力），:是内积算子的两个二阶张量，?是微观

?p- 8 -

塑性应变，?Y是当前屈服强度。

空洞率变化与空洞增长和成核的微观方面的等效塑性应变,如下所示:

??pfgrowth?(1?f)?:I （式3-3）

其中， I二阶顺序张量。

空洞成核成核是由要么塑性应变或应力, 它们都要遵循一个正态分布的统计数据。由于本研究是由应变控制空洞成核，所以只列出应变控制空洞成核方程，由于成核，导致了空洞率的变化，如下方程：

f?nucleation?fN?PSN2?e1???N2?()2SNp （式3-4）

其中，fN是材料粒子的体积分数，?N为平均应变，SN应变偏量，??由上面的方程得出，材料屈服模型的Gurson规则定义如下:

1?:I?压力。 3??(3qp)2?2f*q1cosh(2)?(1?q3f*2)?0?Y2?Y（式3-5） q其中，q1，q2，q3 为Tvergaard-Needleman 常数，?Y 为材料屈服强度，

f*,Tvergaard-Needleman函数是：

①当前空洞率f小于等于临界空洞率

fC，

f*(f)?f （式3-6）

②当前空洞率f大于临界孔洞率fC，

1?fCq1f*(f)?fC?(f?fC)fF?fC （式3-7）

其中，fF是失效空洞率（自定义），取fF?0.1。这个Tvergaard-Needleman函数用于模型材料的损失负荷能力,充满孔隙聚结。当前空洞率达到临界孔隙度fC材料承载能力迅速增大而减小由于聚结。当当前空洞率达到一个更高的价值fF材料是完全丧失承载能力。这个关联塑性模型模型实现了Gurson空洞模型。

根据上述方程，只要计算或获知7个参数，即可计算得出空洞率f随体积应变变化的曲线图，这七个参数分别是柯西应力、材料粒子体积分数、平均应变、应变偏量、q1、q2、q3三个常数和当前材料屈服强度。

根据空洞的定义，芯片共晶焊接空洞率定义为：

S?(S1?S2)/S1 （式3-8）

其中，S1表示芯片可焊区域面积，S2表示芯片实际焊接面积，约束条件是：0

- 9 -

3.3空洞的检测

[19]

目前，比较常用的空洞的检测方法有三种，分别是电特性测量方法、X射线、超声波扫描（1）电特性测量方法

。

利用电学方法可以快速，大规模的检测样品的空洞表现情况。电学测试方法的原理是首先测得一个电压标值再让功率器件在正常状况下开启工作几秒钟，如果功率器件的散热性能不是很好，器件的温度必然会有所上升，此时再测此电压标值，如果与前一次测值的偏离达到一定程度，则判定此样品的散热不良，可能存在空洞。

（2）X-ray

X射线是工业上最常用来探测器箭空洞的手段之一，它的优点在于直观，快速。由于X-ray的成像原理为样品不同部分的密度和厚度的不同。所以X-ray的空洞检测效果受到空洞本身形貌的制约，对焊料空洞的探测灵敏度不高。

（3）超声波扫描

超声波能穿透密集的和疏松的固体材料，但它对于内部存在的空气层非常的敏感，空气层能阻断超声波的传输。确定焊接层、粘接层的完整实SAM独特的性能。因此超声波对于空洞的检测灵敏度高于X-ray，但是扫描起来稍微麻烦一点，考虑到能量的衰减问题，一般从器件的背面扫描。 3.4空洞的评价标准

对于达到什么程度的空洞为过多，目前还没有达成共识。电子制造行业普遍的做法是：通常在X光照片中看到的空洞，当空洞的大小超过J-STD-001D规定的25%面积（即S?25%）时，便予以拒收。但是在众多芯片厂商中有许多厂家的接收标准又不相同，例如，IBM认为BGA的空洞面积不超过15%，如果超过了20%就会影响焊点的可靠度，影响焊点的使用寿命。然而在GJB548B-2005中明确规定不可接收标准：①焊接接触区空洞超过整个接触面的50%（即S≥50% ）；②单个空洞横贯半导体芯片的整个长度或宽度范围，并且超过整个预定接触面积的10%。从目前功率芯片和Al2O3等传统陶瓷基板的共晶焊空洞率已能控制在10%（即S?10%）以内。 3.5真空共晶焊空洞率的控制措施

经过上述前人的研究，空洞的产生、生长和连接与被焊接件结构、焊接件材料、焊接工艺都有关系，下面是从被焊接件结构、焊接材料、焊接工艺的改善来控制真空共晶焊空洞率。

（1）焊接工艺

①焊接夹具上模块开圆孔，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，提高共晶面均匀性并减少空洞。

②焊接过程中加入适量的保护气体，即调整适当的真空度。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形成空洞，从而增加焊接芯片的热阻；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。通过对共晶焊接环境的

- 10 -

控制，即通入氮氢等保护气体，能很好解决焊接空洞的生成。

③在芯片贴上焊料前，焊料的分布必须均匀平整且与芯片的形状一致，而且焊料面积一般为芯片面积的1.2倍。控制焊料分布的平整程度能严格控制空洞率。从有限元分析结果知道，芯片边缘位置的焊层受热应力较大，应该使焊料面积稍大于芯片面积，能够让更大体积的焊料来分担热应力，从而减小单位体积的热应力，提高因材料热失配导致疲劳失效

[20]。

④共晶焊前清洁器件与焊料表面，去除杂质。 （2）焊接系统材料

空洞的生成、生长和连接，在材料方面，和焊接件的材料热膨胀系数的匹配有关。其中主要是焊料、热沉层材料、焊片和热沉层之间的金属薄膜镀层材料、芯片背面金属镀层材料、夹具材料。

①从上表1可知，Au80Sn20焊料的热导率明显比其它两种焊料的高，这恰恰对应了芯片对散热功能的需求

②共晶炉的夹具一般选用高纯石墨，因为其高温变形小，对器件影响较小，导热性好，有利于热量传播，使温度均匀性好，化学稳定好，长期使用不变质，可塑性好，容易加工

（3）焊接系统的几何结构

①镀金层厚度，不同厚度镀金层上Au80Sn20焊料的浸润，对钨铜热沉镀镍镀金，镍层厚度按一般要求（5μm~7μm）进行，镀金层厚度应3μm~8μm，因为低于3μm镀金层的热沉上焊点颗粒度较大，浸润效果较差，容易形成空洞，而高于3μm镀金层的热沉上，焊点光亮，浸润效果好

[7][11]

。

。

②在进行多芯片组件共晶时，由于芯片的尺寸越来越小，数量越来越多，就必须采用特制的夹具来完成，夹具的设计的关键在于如何解决微波芯片空气桥避让问题同时提供芯片足够的压力，又由于芯片表面电路部分区域不可触碰，故选取球状枕头的钨针对芯片上可接触位置（如焊盘、无电路区域）施加压力，这样既可以避开芯片上不可接触部分，又可通过增减钨针数量来改变对芯片上边面施加压力。

4未来对空洞率要求和控制方案

随着电子行业的高密度、高集成度、3D、小型化、薄型化等封装，焊接的各种缺陷急需解决，甚至是避免。焊接空洞缺陷是芯片焊接时常见的缺陷，基于本文上述降低空洞率的方案，设想了未来对空洞率的要求和控制方案。

（1）对空洞率的要求

由于焊接层起着电气连接、机械支撑、保持气密性、散热等作用，故焊点空洞率对应器件类型、焊接类型、焊料、焊接作用、使用环境的不同而不同，如对气密性要求高的，空洞率应该小，在未来无论军品和民用对气密性要求都会逐渐变高，空洞率应不高于10%，甚至小于1%。此外，在高密度的3D封装中，对散热要求高，实现散热功能的焊接层就应该适当地降低空洞率。由此可见，未来电子行业对焊接空洞率总体要求会更高，但应视不同的条件，对空洞率的要求不同。

（2）控制方案

①从目前的焊接系统考虑

就目前的真空共晶焊焊接系统，焊接材料、焊接工艺参数、被焊接件结构、焊接设备等的设置可能

- 11 -

没达到最优化，这些参数的设置需要长期、大量的试验才能够达到最优化。

②从新的焊接系统考虑

随着科技的高速发展，新材料、新器件、新设备，甚至新的互联工艺都有可能出现，例如，开发新材料，如焊料、薄膜镀层材料、热沉材料、基板材料、芯片材料，只要能使加热、冷却过程中焊接系统的热膨胀系数匹配，则焊接空洞率就会对应减小；新器件，如光器件、光电器件，这些器件可能对空洞率的要求和纯电器件的不同，因为其信号的传输依靠光，只要有传输光的介质便可以互连。

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没达到最优化，这些参数的设置需要长期、大量的试验才能够达到最优化。

②从新的焊接系统考虑

随着科技的高速发展，新材料、新器件、新设备，甚至新的互联工艺都有可能出现，例如，开发新材料，如焊料、薄膜镀层材料、热沉材料、基板材料、芯片材料，只要能使加热、冷却过程中焊接系统的热膨胀系数匹配，则焊接空洞率就会对应减小；新器件，如光器件、光电器件，这些器件可能对空洞率的要求和纯电器件的不同，因为其信号的传输依靠光，只要有传输光的介质便可以互连。

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