GaAs功率芯片金锡共晶焊接技术

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。

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。

常规的自动贴片机，压力控制范围为10-250g，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。

机器首先将载体、焊片、芯片依次放置脉冲加热台上，利用真空吸孔或工装将载体固定。当载体放置在热台上时热台四周开始释放氮气，当芯片放置在焊片上时热台开始按照设定的温度曲线开始加热，焊锡熔化后吸头刮擦芯片使焊锡充分浸润。刮擦次数、路径、幅度、压力等参数可以设定。降温焊料凝固后，机器自动将烧结好的芯片放回华夫料盒中。

对于实验材料，不同尺寸的金锡焊料采用划片机进行机械切割，之后进行酒精超声清洗。

载体采用1：2：1的Cu/Mo/Cu形式，表面溅射Ni、Pd、Au，在应用前经过酒精超声---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，减少人为因此影响。共晶完成之后测量剪切力。

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余应力的大小。典型温度曲线如图1所示。

其中，T1为预热温度，一般比共晶温度

T2低30-60度，T2为共晶温度，T3为冷却温度，可设置为200-260度。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度时焊料完全熔融，可进行共晶焊接，为了增加金锡焊料浸润性、流动性，在金锡共晶焊时将共晶温度设为320-330度。

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观察不同T2时间下共晶层组织情况，试验结果如图2所示。

通过对比分析发现，随着共晶时间的增加，IMC层厚度由0.373um逐渐增至1.370um，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。

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层是一种脆性化合物，过厚的IMC层会显著降低焊接的剪切强度。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0.3-0.9um之间，共晶芯片剪切强度超过9.15Kgf。

共晶焊接相对于环氧粘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：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为焊料截面积；

对于整体结构热阻，其模型如图3所示。分析过程按有源区扩散传热计算，按45度扩散计划，截面积按有效面积计算，即梯形面的中间剖面长宽积计划。

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