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大功率微波芯片共晶焊接工艺技术
上传更新:2021-12-04

转自高速射频百花潭  胡永芳 韩宗杰

 

文中采用自动化手段研究了大功率微波芯片共晶焊接技术,分别对影响微波芯片焊接焊透率的预置焊料、温度曲线、氮气保护气氛、摩擦次数等影响因素开展了研究。通过在MoCu热沉上预置焊料,采用优化的共晶焊接温度曲线,施加一定流量的氮气保护,采用合适的共晶焊接摩擦次数,最终获得了具有良好焊透率的大功率微波芯片共晶焊接模块。焊接位置精度能够控制在 (25 ± 5) µm 范围内。文中还完成了焊后大功率微波芯片模块的热循环试验,进行了微波芯片的剪切力测试。试验结果显示共晶焊接焊点剪切力满足 GJB 548B—2005 的要求,表明采用优化的工艺参数获得的大功率微波芯片共晶焊接模块具有很高的可靠性。

 

大功率 GaAs 微波器件因其优越的性能而在相控阵雷达、微波通信系统等领域得到广泛应用。大功率GaAs 微波芯片体积小,重量轻,具有优良的高频特性及高可靠性,已成为有源固态相控阵雷达 T/R 组件的关键器件 。

微波电路通常频率较高,因此芯片的接地状况影响着电路串扰和插入损耗,同时也带来了附加电容与振荡。微波组件发射部分的大功率微波芯片的 GaAs基体材料导热性能差,因此大功率微波芯片与基体(基板)的连接必须要有良好的微波接地能力(低欧姆接触)和良好的散热能力,选用合金焊料进行共晶焊接是国内外一致采用的芯片贴装方式 。在大功率微波芯片共晶焊接效果评价中,焊透率(被钎接面积/需焊接面积)直接反映了接地效果和散热能力,是整个焊接技术的重要指标。

本研究采用自动化手段实现大功率微波芯片高可靠共晶焊接,对影响大功率微波芯片焊接焊透率的温度曲线、焊片尺寸、氮气保护气氛、摩擦次数等影响因素分别进行了研究,以期获得大功率微波芯片共晶焊接良好的焊透率。

 

01

试验


试验原理

选用 Au80Sn20 焊料进行共晶焊接,Au-Sn 二元合金相图如图 1 所示。共晶熔点为 280◦ C,钎焊温度为 300◦ C∼ 310◦ C,比共晶熔点高出 20◦ C∼ 30◦ C。共晶成分为w( Au ) = 80 %,w( Sn ) = 20 %,共晶组织由密排六方晶格的 ζ 相和六方晶格的 δ 相金属间化合物组成,其共晶反应方程式为:

 

 

图 1 Au-Sn 合金相图


1.2试验材料

试验材料包括:

1)GaAs微波芯片,厚 0.08 mm;

2)模拟匹配陶瓷片为 Al 2 O 3 ,厚 0.5 mm,待焊接面镀金;

3)热沉为Mo70Cu30合金,厚 0.4 mm。

 

1.3试验方法

依据金锡共晶焊接的原理,同时考虑到大功率微波芯片的散热要求和热膨胀系数匹配以及微波电路系统组装焊接的兼容性(分级焊接),研究预置共晶焊料、焊接温度曲线、氮气保护气氛以及摩擦次数等因素对微波芯片共晶焊接的影响,以期获得 90 % 以上的芯片焊透率,满足产品研制生产的需求。最后,选取共晶焊接焊透率好的大功率微波芯片进行热循环试验,对不同循环次数下的芯片进行剪切力测试,分析不同循环次数下的芯片剪切力的变化规律。

 

02

试验结果与分析

 

2.1预置AuSn共晶焊料层

共晶焊接过程中,AuSn 焊料的用量对大功率微波芯片的焊透率和焊料流淌有直接的影响。采用常规的熔铸–轧制方法制备的 AuSn 预成型焊片厚度通常大于 15 µm,在大功率微波芯片散热通路中热阻较大,易发生热量积累而导致芯片过热乃至失效。采用分层电镀技术在 MoCu 热沉上制作了 5 µm 厚的金锡共晶焊料层(图 2),优化确定 MoCu 热沉上的Ni-Au-Sn 膜层结构,考察了金层、锡层的膜厚对金锡合金的影响。试验表明:金层和锡层的厚度直接决定了金锡合金的含量,金层、锡层在合适的厚度下能得到共晶点的金锡合金;金含量偏高时,合金熔化温度明显变高,制备的合金不具有实用价值;锡含量偏高时,合金熔化温度变化较小。

图 2 预置AuSn共晶焊料层的微观形貌

 

通过试验研究了热处理工艺对预置 AuSn 焊料合金的影响。结果表明热处理温度在 350◦ C 时可达到较好的合金化效果。对金锡共晶薄膜的性能做了评估测试。结果表明,在 MoCu 热沉上制备的金锡共晶薄膜的成分可控制在 w( Au ) = (80 ± 1) %,w( Sn ) = (20 ± 1) %,薄膜可焊性良好,满足产品AuSn 共晶焊接的需求。

 

2.2焊接温度曲线设计

Au80Sn20 焊料的熔点为 280◦ C,焊接时温度范围一般为 300◦ C∼ 310◦C,以保证焊料具有较好的可焊性。大功率微波芯片对温度敏感,一般焊接温度不能超过 310◦ C,焊接时间不能超过 30s,否则会导致芯片性能下降。因此,焊接的温度曲线设计非常重要。自动共晶焊接设备配置了可编程脉冲加热台,可以对温度曲线进行精确控制,从而大大提高焊接的可靠性。可编程脉冲加热台主要通过升温速率、最高温度和持续时间来编制温度程序。试验选取了多种参数进行组合,得到不同的温度曲线,通过焊接过程中的焊料溢出、焊透率、芯片破裂等结果对焊接曲线进行评价,最终确定最适合大功率微波芯片焊接的温度曲线的参数:升温速率 10◦ C / s,最高温度 310 ◦ C,持续时间 7 s。

 

2.3氮气气氛保护的影响

在大功率微波芯片的焊接过程中进行局部氮气气氛保护,如图 3 所示。一个半密封氮气保护罩扣在脉冲加热台上方,充入氮气将空气排除以降低环境氧气含量。

 

图 3 氮气保护罩

设备的氮气流量在 0 ∼ 20 L / min 范围内可控。氮气流量为 0 时,焊接过程没有保护,金锡焊料容易形成氧化物残渣,影响焊接质量甚至有可能影响产

品可靠性,如图 4 所示。当氮气流量提升到 5 L / min以上时,半密封罩内能够排除氧气,保证共晶焊接在无氧气氛下完成,此时得到的金锡焊点明亮而有光泽、无氧化。氮气流量继续提升,到 10 L / min 以上时,氮气流速过大导致从加热台带走的热量过多,焊接温度开始出现不稳定现象。综上所述,设置氮气流量 5 L / min 即可保证排除氧气以提高焊接质量,同时可最大程度地节约成本,降低焊接热量损耗。

图 4 金锡氧化物残渣

2.4摩擦次数的影响

在大功率微波芯片自动共晶焊接时会有一个摩擦过程,如图 5 所示。摩擦过程有利于金锡焊料表面的氧化物破除,有利于焊料在芯片和热沉之间铺展,同时排除共晶焊接面的气体,从而提高焊透率。

图 5 共晶焊接中的摩擦


大功率微波芯片焊接过程中,在 X 和 Y 方向均可施加摩擦过程。本试验中设定 X 和 Y 方向摩擦交替进行,两方向合计摩擦次数与焊透率的关系曲线见图6。

试验结果表明:当摩擦次数达到 30 次时,焊透率可以保证在 90 % 以上,满足功放芯片的散热要求;摩擦次数继续增加,焊透率提升比例有限。

 

图 6 摩擦次数与焊透率的关系曲线

使用上述试验确定的优化参数在热沉上完成大功率微波芯片、两个陶瓷片和两个连排电容的焊接,如图 7 所示。各个器件之间的距离经过测量,位置精度能够控制在 (25 ± 5) µm 范围内,焊透率能够达到90 % 以上,完全能够满足产品高精度高焊透率的组装要求。

图 7 功放模块高精度焊接


2.5环境试验

根据军用标准 GJB 548B—2005 的相关要求,对焊后大功率微波芯片模块进行 −55◦ C∼ +125◦ C热循环试验,然后每隔 100 次热循环进行微波芯片剪切力测试,试验结果如图8所示。

图 8 大功率微波芯片焊后剪切力随循环次数的变化

由图 8 可见,经过 −55◦ C∼ +125◦ C 多次热循环试验后,微波芯片的剪切力先有所增大后稍微减小。分析认为,高温时金锡层能够进一步相互扩散,形成了更均匀的共晶金属化层;随着循环次数的增加( 300 次后),焊接层内的细小空洞逐渐扩大,导致剪切力稍微减小,但仍能满足 GJB 548B—2005 的要求,且焊后剪切力远大于 GaAs 芯片自身的强度。这充分说明大功率芯片在优化的工艺参数下采用 AuSn焊料焊接具有很高的可靠性。


03

结束语

本文研究了大功率微波芯片共晶焊接技术,分别对影响微波芯片焊接焊透率的预置焊料、温度曲线、氮气保护气氛、摩擦次数等影响因素进行研究,得到以下结论:

1)采用分层电镀技术在 MoCu 热沉上制作了 5 µm 厚的金锡共晶焊料层,可焊性良好,满足共晶焊接的需求。

2)适合大功率微波芯片焊接的温度曲线的参数为升温速率 10◦ C / s,最高温度 310 ◦ C,持续时间 7 s。

3)设置氮气流量 5 L / min,能够保证共晶焊接在无氧气氛下完成,此时得到的金锡焊点具有明亮的金属光泽。

4)摩擦次数达到 30 次时,焊透率能够达到 90 % 以上,焊接位置精度能够控制在(25 ± 5) µm 范围内,满足产品高精度高焊透率的组装要求。

5)焊后大功率微波芯片模块的热循环试验结果表明,采用优化的工艺参数获得的大功率微波芯片共晶焊接模块具有较好的可靠性。

 


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