5G 芯片质量与可靠性保障：共晶焊接技术研究与应用

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高晓伟、张远、侯逸学、刘艳丽

（中国电子科技集团公司第二研究院）

概括：

基于低熔点合金的焊接原理，介绍了全自动共晶贴片机设备，对共晶焊接热台的气氛保护进行了流体模拟研究，进行了多片共晶焊接试验，并进行了共晶焊接实验。测量了焊接产品的相关精度。 。通过共晶焊后焊接效果的质量检验和精度测量结果分析，工艺试验达到了预期效果，满足了当前产品市场化指标。研究结论为提高5G芯片本身的质量和可靠性提供了有力保障，为推动半导体封装行业更快发展提供了参考。

0 简介

随着5G应用的快速发展，更大的传输容量和更快的传输速率成为光器件模块和光通信行业的追求目标。光器件可以说是光通信的命脉，而光芯片则是光模块的核心。关键[1]。表面贴装技术是微电子元件封装过程中最重要的工艺，而封装测试是微电子成品市场化的最后一步[2]。因此，表面贴装技术在微电子封装工艺中起着非常重要的作用，而多芯片共晶贴片是最关键的工艺环节之一。多芯片共晶贴片工艺直接决定了产品的质量和使用寿命，对产品的性能指标影响很大。

1 共晶焊

1.1 共晶焊原理

共晶焊也称为低熔点合金焊。共晶焊的焊接过程是指在一定的温度和一定的压力下，将芯片在镀金的底座上轻轻摩擦，擦去界面上不稳定的氧化层，使接触面熔化，使芯片间的固相析出。两个形成液相[3]。冷却后，当温度低于共晶点时，由液相形成的晶粒相互结合，形成机械混合物。

共晶合金技术已广泛应用于电子封装行业，如芯片与基板的键合、基板与管壳的键合等[4]。具有导热率高、电阻低、可靠性高、键合后剪切力大、散热好等优点[5-6]。对于散热要求较高的电子元件，多采用共晶合金来完成共晶焊接。

1.2 全自动共晶贴片机

采用全自动共晶贴片设备进行工艺贴装测试。该设备采用凸轮传动、连杆联动、精密齿轮齿条、直线电机、高精度模组和导轨，结合多轴运动控制技术和多摄像头视觉定位技术，保证连续高速、高精度设备的精密运行。其原理是利用脉冲电源在氮气气氛保护下的加热功能，实现加热温度和加热时间的实时控制，从而完成散热片焊盘和焊盘的一次性共晶焊接。焊接在管架上。该设备实现了多芯片共晶焊接的复杂工艺，实现了温度和时间的实时控制，完全替代了手工焊接工艺，提高了多芯片共晶行业的智能化。同时，高速、高精度的运行不仅提高了生产效率，还减少了产品误焊的可能性，大大提高了成品的一致性。全自动共晶贴片设备结构如图1所示，多芯片共晶贴片工艺流程如图2所示。

2 共晶焊热阶段流体模拟

本设备共晶焊热台采用脉冲加热方式，利用脉冲电流通过高电阻率材料时产生的焦耳热达到快速加热效果。脉冲加热是一种瞬时加热方式，仅在焊料熔化时才进行电加热。可根据不同焊料材料设置多条温度曲线，实现加热温度和加热时间的实时控制，可满足多芯片共晶工艺的需要。热台连接热电偶，将热台温度实时反馈至温控系统，保持热台温度与设定温度一致。

由于需要在共晶热阶段完成多个复杂的贴片工艺，不可能有稳定的气氛保护焊接环境。这直接导致焊接时焊料必须在大气环境下进行焊接，存在氧化的风险。同时，爬焊效果也不好。为了解决焊接效果差的问题，设计了一个相对封闭的空间，同时不断充入氮气。控制流量，在热台管座固定处形成相对稳定的气氛保护环境。三维模型结构简化后，利用仿真软件对简化后的共晶热台进行流体仿真分析。单侧进液仿真分析云图如图3所示，双侧进液仿真分析云图如图4所示。

通过对仿真结果云图的分析可以看出，单侧进风热台盖内部氮气分布不均匀。热台管座共晶焊接时，左右引线柱处的氮气流量也有很大差异。整体气氛环境不统一。过于理想，影响共晶焊接效果。通过后续的测试也得出同样的结论，焊接效果不好。对双边进气模拟结果进行云分析表明，热台罩内部分布较为均匀。热台管座共晶焊接时，左右两侧引线柱处的氮气流量基本没有差异。当左右两侧同时焊接时即可完成。条件基本相同，焊接条件较为理想。后续工艺测试验证焊接效果满足客户要求。

3 多片共晶焊试验

3.1 试验材料

5G技术的快速发展对激光器性能提出了越来越高的要求。特别是随着传输速度的提高，光电信号转换产生的热量也显着增加。为了提高激光器本身的散热能力，业界设计了一种针对5G应用的新型管座。通过增加管座扇形平台、增大焊盘尺寸、直接用焊料焊接代替金线键合，提高管座散热能力。本次测试使用新型TO5605管座和配套焊盘作为测试材料。焊料是共晶工业中常用的金锡焊料（Au80Sn20）。

3.2 焊接试验要求

1）焊接后焊点表面光滑、光亮，无氧化问题；

2）引线柱爬锡高度必须大于引线柱高度的1/4；

3）散热片焊盘焊接后，其周围焊锡溢流均匀；

4）散热片焊盘贴片X、Y方向精度在±15μm以内；

5) 散热垫旋转角度精度为±1°。

3.3 测试和测量仪器

本次测试采用全自动共晶贴片机进行共晶焊接，测量仪器为二维影像测量仪和显微镜。

3.4 焊接试验方法

管座装载方式为TO阵列托盘，采用带垫块的蓝膜平台。焊接方法是将管架倒置夹紧固定在共晶台上，先将散热垫预焊在管架扇形台上，然后放置两块焊料，利用特殊的运动机构将管座上的焊盘和焊料。将扇形工作台固定到位，通过吸嘴施加静压，同时共晶，使焊盘焊接到扇形工作台上。焊盘电路和管腿焊接在一起。如果后续需要焊接芯片，可以直接在散热器上完成。本次测试中芯片未焊接。 TO5605管座焊接如图5所示。

3.5 影响焊接工艺的因素

影响TO激光多芯片共晶贴片工艺效果的因素主要有氮气氛环境、氮气流量、共晶热台基本恒温、焊接共晶温度、焊料及管座清洁度、焊接压力、吸嘴拾取放置位置精度、吸嘴拾放旋转精度、相机标定精度、管座夹紧一致性以及运动机构各种时序的协调性。

3.6 焊接工艺参数的确定

散热片和焊嘴根据材质大小和管座尺寸选择不同规格型号的电木焊嘴。焊盘喷嘴孔径为0.5mm，焊嘴孔径为0.2mm。

本次试验是在氮气气氛保护下完成的。通过设置不同的进气流量来确定本次焊接最合适的氮气流量。当进气流量高于7ml/min时，放置焊盘和焊料时会出现吸嘴。垫片和焊料被吹走，导致整个焊接失败。当进气量小于5ml/min时，由于各种运动机构的影响，焊接环境无法密封。当氮气流量供应不足时，焊接后存在氧化风险。因此，最佳氮气流量为5～7ml/min。本次试验在6ml/min的氮气保护气氛下完成焊接。

开始测试前，在共晶热台上设定基本恒温，以确保管座预热。同时，放置焊盘和焊料时，不会熔化或造成喷嘴堵塞。由于金锡焊料（Au80S20）的熔点温度为280℃。为了防止焊锡部分熔化以及焊锡粘在吸嘴边缘，本次测试恒温温度设定为270℃。

通过设置不同梯度共晶温度段进行实验确定适合TO56​​05管座的最佳共晶温度，发现不同温度下有四种情况：

1）温度太高，焊锡已干；

2）焊后表面光滑，爬锡效果好；

3）焊接效果稍差，锡蠕变不理想；

4）焊料未熔化，焊接未完成。

因此，通过实验，选择焊接效果最佳时脉冲电源的共晶温度为418℃。

3.7 焊接试验及结果分析

测试前对管座进行超声波清洗，清洗后在全自动共晶贴片机上完成接头焊接测试。焊接成品显微镜观察分析，焊接表面光滑光亮，无氧化缺陷，锡蠕变高度达到铅柱高度的1/4以上。散热器下方焊锡均匀，满足焊接要求。共晶焊接后，通过显微镜观察引脚和焊盘焊接的侧视图如图6所示。焊接后通过显微镜观察引脚和焊盘焊接的正视图如图7所示。

3.8 焊接精度测试

采用二维影像测量仪随机检测10个焊接好的管座垫，测量垫片焊接后的X方向精度、Y方向精度、旋转角度精度。测量精度结果如表1所示。

通过对抽检管座精度测量结果分析可以看出，间隔件焊接后X向精度在±10μm以内，Y向精度在±13μm以内，旋转角度精度在±1°以内，满足焊接测试要求，达到目前市场化量产要求，同时为后续贴片提供精度保证。

4 结论

通过对全自动多芯片共晶贴片机和TO管座技术的分析和研究，得出全自动多芯片共晶贴片机可以通过脉冲实现各种规格型号TO管座的自动共晶焊接。加热。通过对共晶焊热台大气环境进行流体模拟分析，发现双面进气能够保证TO管座热台焊接处大气环境稳定持续的保护，有效保证左右引线柱焊接的一致性。通过对焊接后的TO管支架在显微镜下观察分析，可以看出焊接表面光滑、光亮，不存在氧化不良的问题。爬锡高度达到铅柱高度的四分之一，符合目前市场标准和要求。对于焊接管基贴片的X、Y方向及角度精度测量，X、Y方向精度±15μm，角度精度±1°，满足当前市场化量产光通信行业的需求。这为提高5G芯片本身的质量和可靠性提供了有力保障，也为推动半导体封装行业更快发展提供了参考。

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