梁佩，魏斌，黃益軍

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，江蘇 無錫 214000）

0 引言

GaAs功率芯片在相控陣?yán)走_(dá)、微波通信系統(tǒng)等領(lǐng)域中發(fā)揮著重要的作用，成為雷達(dá)T/R組件的關(guān)鍵器件[1]。但其導(dǎo)熱性差，通常需要將其裝配在MoCu、WCu載體上以增大芯片的散熱面積，降低芯片的工作溫度，減小熱應(yīng)力失效[2-4]。微組裝工藝的可靠性決定了功率器件的性能，而GaAs裸芯片與載體的共晶焊接是微組裝的關(guān)鍵技術(shù)。本文研究了載體表面鍍Au層厚度、焊前預(yù)處理和工藝參數(shù)對Au80Sn20共晶焊接可靠性的影響規(guī)律和焊接機(jī)理，實現(xiàn)了GaAs功率芯片微組裝技術(shù)的工程應(yīng)用。

1 實驗設(shè)計

本文采用Au80Sn20共晶焊料實現(xiàn)GaAs芯片與WCu載體的共晶焊接。實驗參數(shù)如表1所示，分別采用外觀檢查、超聲波掃描、X射線檢測和剪切強(qiáng)度測試等手段進(jìn)行共晶焊接剪切強(qiáng)度和空洞率的驗證。實驗參數(shù)如表1所示。

表1 實驗參數(shù)

2 結(jié)果與分析

GaAs功率芯片共晶焊接后的宏觀形貌照片如圖1所示。從圖1中可以看出，共晶焊料潤濕良好，焊接處焊料光亮、光滑。

圖1 共晶焊接宏觀形貌

2.1 Au層厚度對共晶焊接可靠性的影響

在不同的Au層厚度下，共晶焊接的剪切強(qiáng)度和空洞率數(shù)據(jù)如表2所示。從表2中可以看出，剪切強(qiáng)度隨Au層厚度的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。載體表面鍍Au層的厚度為3μm時，共晶焊接的剪切強(qiáng)度最高，為77.4 N。載體表面鍍Au層的厚度為7μm時，共晶焊接的剪切強(qiáng)度最低，為42.3 N。一方面，載體表面Au層過厚，導(dǎo)致熔融Au80Sn20共晶焊料潤濕母材后，載體表面的Au大量溶解于Au80Sn20共晶焊料中，造成Au80Sn20共晶焊料的熔點升高[5]，當(dāng)焊料的熔點等于焊接溫度時，焊料提前凝固，形成不良的焊接接頭。另一方面，Au與Au80Sn20焊料結(jié)合，形成金屬間化合物，造成金脆現(xiàn)象。載體表面鍍Au層的厚度為1μm時，共晶焊接的剪切強(qiáng)度為60.1 N。研究表明，在共晶反應(yīng)初期，焊料表面的氧化膜阻礙熔融Au80Sn20共晶焊料與載體鍍層發(fā)生反應(yīng)，但隨著焊接溫度和時間的增大，載體表面Au融入Sn的氧化膜中使氧化膜破碎，新鮮的Au80Sn20共晶焊料開始鋪展并潤濕載體表面形成潤濕前沿[6-7]。當(dāng)載體Au層由3μm減少為1μm時，會存在Au80Sn20共晶焊料表面氧化物的少量殘留，造成焊點顆粒度較大，潤濕效果差。

表2 不同Au層厚度下的共晶焊接的剪切強(qiáng)度和空洞率數(shù)據(jù)

空洞率分析發(fā)現(xiàn)，鍍Au層厚度對共晶焊接空洞率的影響較小，基本上都能滿足10%以下空洞率的要求。

2.2 工藝參數(shù)對共晶焊接可靠性的影響

共晶焊接過程中，摩擦能促使熔融焊料與待焊件鍍層緊密接觸，使熔化的焊料合金和待焊件表面金層達(dá)到原子作用距離，進(jìn)而發(fā)生共晶反應(yīng)，冷卻后形成機(jī)械強(qiáng)度高的合金層。同時，摩擦又可以使焊料受到擠壓沿著焊面間隙外溢運(yùn)動，有利于擠出氣體，且有利于擠出因受壓而破碎的表面氧化物，從而降低空洞率。工藝參數(shù)對剪切強(qiáng)度和空洞率的影響規(guī)律如圖2-5所示。圖2顯示，當(dāng)摩擦?xí)r間從5 s增加到15 s的，剪切強(qiáng)度呈現(xiàn)增大的變化趨勢；圖3顯示，當(dāng)摩擦?xí)r間從5 s增加到15 s時，空洞率呈現(xiàn)減小的變化趨勢；圖4顯示，當(dāng)摩擦幅度從0.1 mm增加到0.4 mm時，剪切強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢；圖5顯示，當(dāng)摩擦幅度從0.1 mm增加到0.4 mm時，空洞率呈現(xiàn)減小的變化趨勢。

圖2 摩擦?xí)r間對剪切強(qiáng)度的影響規(guī)律

圖3 摩擦?xí)r間對空洞率的影響規(guī)律

圖4 摩擦幅度對剪切強(qiáng)度的影響規(guī)律

圖5 摩擦幅度對空洞率的影響規(guī)律

2.3 焊前預(yù)處理對共晶焊接可靠性的影響

在不同的清洗方法下，共晶焊接的剪切強(qiáng)度、空調(diào)率和焊料潤濕比數(shù)據(jù)如表3所示。從表3中的數(shù)據(jù)可以看出，采用不同的清洗方式，獲得的共晶焊接接頭剪切強(qiáng)度、空洞率和焊料潤濕比（指焊料潤濕芯片的面積與芯片面積的比值）存在明顯的差異，說明焊前表面狀態(tài)對共晶焊接有著重要的影響。焊前若載體和焊料表面存在污染物或者氧化物，會阻礙焊料在載體的潤濕和鋪展，進(jìn)而形成大量的空洞；同時，污染物或者氧化物在共晶過程中生成焊渣或浮渣，導(dǎo)致共晶焊接時需要更多時間除浮渣，共晶時間變長，熔融的共晶焊料溶解的Au含量增大。3種焊前處理方法對共晶焊接剪切強(qiáng)度、空洞率和焊料潤濕比的影響結(jié)果顯示，采用超聲+等離子清洗的方式，能有效地去除載體和焊料表面的氧化物和污染物，焊接后焊料表面光亮、焊料潤濕良好，獲得的共晶接頭剪切強(qiáng)度可達(dá)70.4 N、空洞率達(dá)4%、焊料潤濕比達(dá)95%。采用酒精浸泡的清洗方式，可去除部分表面氧化物和污染物。若不進(jìn)行焊前預(yù)處理，將會造成共晶焊接部件潤濕較差，焊點表面不光滑，接頭剪切強(qiáng)度低。

表3 不同清洗方法下的共晶焊接的剪切強(qiáng)度、空洞率和焊料潤濕比數(shù)據(jù)

3 結(jié)束語

本文針對GaAs功率芯片共晶焊接的高可靠性要求，研究了載體表面Au層厚度為1、3、7μm時，共晶焊接的剪切強(qiáng)度和空洞率；分析了摩擦?xí)r間和摩擦幅度對共晶焊接的影響規(guī)律和機(jī)理，獲得了較優(yōu)的共晶焊接工藝參數(shù)。