幾種常用的載體和芯片的裝配和返修工藝

摘要：

微波組件的調(diào)試工藝特殊復(fù)雜，尤其在微組裝部分，載體及芯片會(huì)頻繁地返修更換。主要介紹了幾種常用的載體和芯片的裝配及返修工藝，驗(yàn)證了粘接或燒結(jié)的芯片及載體的剪切強(qiáng)度是否滿足GJB548中方法2019的相關(guān)要求，對(duì)比了使用的幾種導(dǎo)電膠及焊料裝配后的剪切強(qiáng)度。結(jié)果表明：使用導(dǎo)電膠粘接的芯片及載體，可反復(fù)進(jìn)行返修，剪切強(qiáng)度無(wú)明顯變化；采用燒結(jié)工藝的芯片及載體，可滿足一次返修，超過(guò)兩次返修后，焊接表面氧化嚴(yán)重，剪切強(qiáng)度有明顯下降。

引言

隨著微波多芯片組件在現(xiàn)代軍民用領(lǐng)域應(yīng)用的日益擴(kuò)大，微波組件不斷向小型化、高密度、高可靠和高性能的方向發(fā)展，對(duì)微波組件的裝配及調(diào)試工藝提出了更高的要求。目前，大量的微波組件采用混裝工藝，既有印制板或軟基板的焊接、大量表貼器件及封裝模塊的回流焊接、絕緣子連接器的電氣互聯(lián)等電裝工藝，又有芯片及片式電容的粘接或共晶、載體（或稱為墊片、熱沉、襯底等）或共晶載體的粘接或低溫?zé)Y(jié)、金絲（帶）鍵合和芯片倒裝焊接等微組裝工藝，同時(shí)大量采用了激光封焊等氣密封裝技術(shù)，具有多個(gè)溫度梯度的燒結(jié)或粘接。大量密集芯片及載體的裝配，微組裝部分容易受到電裝焊接的污染等特點(diǎn)，同時(shí)還存在難以察覺(jué)的失效隱患故障，試驗(yàn)條件嚴(yán)苛。因此在微波組件裝配與調(diào)試中設(shè)立了自檢、互檢、專檢的工位，在工藝設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮溫度梯度的可實(shí)施性及返修的可行性，在調(diào)試時(shí)采用多種手段，嚴(yán)格按照相關(guān)程序文件進(jìn)行。

針對(duì)微波組件特殊復(fù)雜的維修工藝，文中主要從微組裝的芯片及載體的維修工藝入手，研究其裝配及返修工藝，驗(yàn)證粘接或燒結(jié)的芯片及載體的剪切強(qiáng)度是否滿足GJB 548中方法2019的相關(guān)要求，并對(duì)比使用的幾種導(dǎo)電膠及焊料裝配后的剪切強(qiáng)度。

1 試驗(yàn)工藝與設(shè)備

1.1 裝配及檢測(cè)工藝設(shè)備

載體及芯片的粘接使用手動(dòng)點(diǎn)膠機(jī)。點(diǎn)膠時(shí)間可調(diào)，范圍為0.008~99.999 s。點(diǎn)膠壓力可調(diào)，范圍為0~0.69 MPa。配件為：5 ml針筒+27G透明色針頭。使用參數(shù)為：時(shí)間0.1~3.0 s，壓力0.21~0.28 MPa。

載體及芯片的共晶及低溫?zé)Y(jié)使用共晶焊接機(jī)。低溫?zé)Y(jié)時(shí)加熱溫度為160 ℃，芯片共晶時(shí)加熱溫度為280 ℃。

使用剪切力測(cè)試儀測(cè)量粘接或燒結(jié)的載體及芯片的剪切強(qiáng)度。

1.2 裝配及返修用材料及工藝 對(duì)于載體的粘接，使用導(dǎo)電膠84-1A，固化參數(shù)為：170 ℃，30 min。對(duì)于芯片的粘接，使用導(dǎo)電膠H20E，固化參數(shù)為：150 ℃，30 min。

對(duì)于芯片的共晶焊接，使用Au80Sn20焊料進(jìn)行焊接；對(duì)于載體或共晶載體的低溫焊接，使用In80Pb15Ag5或Sn43Pb43Bi14材料。根據(jù)管殼大小設(shè)定加熱溫度，一般為焊料熔點(diǎn)上調(diào)10~20 ℃。

對(duì)于粘接的芯片及載體的返修，由于管殼中的溫度梯度的限制，經(jīng)過(guò)前期試驗(yàn)進(jìn)行研究，使用H20E進(jìn)行粘接，固化參數(shù)為100 ℃，150 min。

對(duì)于共晶的芯片進(jìn)行返修時(shí)，一般將芯片及共晶的載體一并進(jìn)行鏟除，后使用H20E進(jìn)行粘接，固化參數(shù)為100 ℃，150 min。

對(duì)于共晶載體的低溫?zé)Y(jié)，其返修工藝為加熱到原先溫度后，待焊料熔化后取出，并使用新的共晶載體進(jìn)行替換。若存在不能承受此加熱溫度的器件或模塊時(shí)，需在返修前將這些先拆除后再進(jìn)行返修。

選用的導(dǎo)電膠有84-1A、H20E、EK1000三種常用導(dǎo)電膠；選用的焊料為Au80Sn20、In80Pb15Ag5；選用的載體有可伐、鉬銅載體（Mo80Cu20）；選用的芯片有HMC462（GaAs材料）、3590、Si基材料的微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）和芯片電容（陶瓷材料）。為保證熱膨脹系數(shù)盡量接近的原則，Si基芯片使用可伐合金載體，而GaAs、陶瓷的芯片使用鉬銅載體。材料及相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 導(dǎo)電膠/焊料/芯片/載體參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 導(dǎo)電膠粘接裝配及返修工藝

使用20 mm×20 mm×2 mm的鋁合金墊塊模擬管殼進(jìn)行試驗(yàn)，墊塊表面鍍銀處理。使用手動(dòng)點(diǎn)膠機(jī)進(jìn)行載體的粘接，點(diǎn)膠量及粘接效果如圖1所示。

圖1 載體粘接圖

對(duì)于需要載體安裝的芯片，其粘接工藝為先將載體粘接到管殼內(nèi)，后粘接芯片。對(duì)于無(wú)需裝配載體的芯片，如MEMS濾波器，由于其芯片的特殊性，直接將芯片粘接到管殼內(nèi)，為保證其散熱性能，使用EK1000導(dǎo)電膠進(jìn)行粘接，粘接效果如圖2所示。

圖2 MEMS粘接效果圖

導(dǎo)電膠固化完成后，使用剪切力測(cè)試儀測(cè)量其剪切強(qiáng)度。測(cè)試方法及結(jié)果如圖3所示。將推刀貼近但不接觸墊塊及被測(cè)樣品，后進(jìn)行測(cè)量，待樣品被推刀推斷后自動(dòng)讀出數(shù)據(jù)。

圖3 剪切力測(cè)試

對(duì)載體及芯片完成推拉力試驗(yàn)后，將墊板上殘余的導(dǎo)電膠拆除平整后，重新使用H20E導(dǎo)電膠粘接，固化參數(shù)為100 ℃，150 min。鏟除后的墊板表面如圖4所示。

圖4 去除導(dǎo)電膠后的墊板表面

重新粘接固化完成后，使用剪切力測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)量其剪切強(qiáng)度。測(cè)試結(jié)果如圖5所示。推拉力試驗(yàn)測(cè)試的數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

圖5 返修后載體及芯片背面 表2 推拉力測(cè)試結(jié)果

針對(duì)GJB 548B-2005中2019 芯片剪切強(qiáng)度的失效判據(jù)，對(duì)測(cè)試樣品尺寸（ S ）和強(qiáng)度（ F ）的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：

1） S ＞4.13 mm 2 ， F ＞50 N；

2）0.32 mm 2 ≤ S ≤4.13 mm 2 ， F ＞12.14 S -0.14（N）；

3） S ＜0.32 mm 2 ， F ＞12 N。

根據(jù)以上對(duì)應(yīng)關(guān)系，得出試驗(yàn)樣品與所需最小推力值，具體見(jiàn)表3。

表3 樣品與最小推力值關(guān)系

由表3可知，試驗(yàn)中樣品的剪切強(qiáng)度均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于GJB 548B中規(guī)定的最小承受應(yīng)力值。在載體粘接方面，大面積載體粘接的剪切強(qiáng)度可達(dá)到最小規(guī)定值的10倍以上。且由于導(dǎo)電膠及固化溫度的限制，返修后的粘接強(qiáng)度無(wú)法達(dá)到第一次裝配的強(qiáng)度，只能達(dá)到第一次正常裝配的80%左右的強(qiáng)度。從推拉力后的載體背面觀察，第一次正常裝配后，載體表面膠量較小，小面積的載體尤為明顯，膠量殘留只有10%左右的面積。而返修后的載體，膠量殘留可達(dá)到80%以上，分析認(rèn)為這與返修時(shí)對(duì)表面進(jìn)行了清理，增加了表面粗糙度有關(guān)。對(duì)于MEMS芯片的剪切強(qiáng)度，正常裝配與返修后的芯片剪切強(qiáng)度差距不大，分析認(rèn)為這與兩種導(dǎo)電膠在這兩種固化溫度下的粘接強(qiáng)度有關(guān)。對(duì)于芯片的剪切強(qiáng)度，由于芯片材料很脆，因此剪切強(qiáng)度較低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于載體的剪切強(qiáng)度。經(jīng)過(guò)一次返修后芯片的剪切強(qiáng)度，比第一次粘接的芯片強(qiáng)度略高，約為10%。分析認(rèn)為，返修時(shí)對(duì)表面進(jìn)行了清理，增加了表面粗糙度，以及低溫長(zhǎng)時(shí)間的固化可能比正常裝配時(shí)的導(dǎo)電膠的粘接強(qiáng)度略高。對(duì)上述材料進(jìn)行多次維修，并進(jìn)行推拉力測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與第一次返修的剪切強(qiáng)度無(wú)明顯差別。

2.2 焊料燒結(jié)裝配及返修工藝

芯片共晶及載體燒結(jié)工藝為：先使用AuSn焊料將芯片共晶到載體上，再使用In80Pb15Ag5焊料將共晶載體燒結(jié)到管殼上。芯片共晶及載體燒結(jié)后的返修工藝為：加熱臺(tái)加熱管殼，待In80Pb15Ag5焊料熔化后將共晶載體取出，重新共晶芯片到載體后，用In80Pb15Ag5焊料焊接共晶載體到管殼上。裝配及返修效果如圖6所示。圖6（a）左側(cè)為共晶載體的燒結(jié)，右側(cè)為載體的燒結(jié)。圖6（b）為兩次返修后拆除載體的墊板表面，中間區(qū)域?yàn)闊Y(jié)區(qū)域。

圖6 芯片及載體燒結(jié)圖

對(duì)共晶芯片及載體的推拉力試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 燒結(jié)芯片及載體推拉力測(cè)試結(jié)果

可以看出，共晶芯片及共晶載體（正常裝配及返修后）的剪切強(qiáng)度滿足GJB 548B的要求，其中正常裝配下的共晶載體的剪切強(qiáng)度可達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值的9倍以上，且第一次返修后，強(qiáng)度可比第一次的剪切強(qiáng)度提高10%左右。但經(jīng)過(guò)多次返修后，從圖6(b)中可看出，墊板表面的附著焊錫出現(xiàn)較為嚴(yán)重的氧化現(xiàn)象，表面焊錫發(fā)灰白狀，不光亮，難以去除，剪切強(qiáng)度呈明顯下降趨勢(shì)，只能達(dá)到前期強(qiáng)度的17%左右。

通過(guò)上述試驗(yàn)，得出所選材料的剪切強(qiáng)度為：

In80Pb15Ag5＞Au80Sn20＞84-1A＞H20E＞EK-1000。

3 結(jié)束語(yǔ)

主要介紹了幾種常用的載體和芯片的裝配和返修工藝，以及選用的幾種燒結(jié)及粘接的材料，驗(yàn)證了粘接或燒結(jié)的芯片及載體的剪切強(qiáng)度可完全滿足按照GJB 548方法2019的相關(guān)要求，但燒結(jié)載體在2次返修后強(qiáng)度會(huì)發(fā)生明顯下降。對(duì)比使用的幾種導(dǎo)電膠及焊料裝配后的剪切強(qiáng)度：In80Pb15Ag5＞Au80Sn20＞84-1A＞H20E＞EK-1000。（參考文獻(xiàn)略）