TO型激光器多芯片共晶貼片工藝

共讀好書

高曉偉 張媛 侯一雪 劉彥利

（中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所）

摘要：

以低熔點(diǎn)合金焊接原理為基礎(chǔ)，介紹了全自動(dòng)共晶貼片機(jī)設(shè)備，對共晶焊接熱臺氣氛保護(hù)進(jìn)行了流體仿真研究，進(jìn)行了多芯片共晶焊接試驗(yàn)，并測量了焊接產(chǎn)品相關(guān)精度。通過對共晶焊接后焊接效果質(zhì)檢以及精度測量結(jié)果分析，工藝試驗(yàn)達(dá)到預(yù)期的效果，滿足了目前產(chǎn)品市場化指標(biāo)。研究結(jié)論對于提高5G芯片本身的質(zhì)量和可靠性提供了有力保障，對推動(dòng)半導(dǎo)體封裝產(chǎn)業(yè)更加快速的發(fā)展提供了參考依據(jù)。

0 引言

伴隨著5G應(yīng)用的高速發(fā)展，更大的傳輸容量和更快的傳輸速率支撐成為光器件模塊及光通訊行業(yè)的追求目標(biāo)，光器件可以說是光通訊的命脈，而光芯片則為光模塊的關(guān)鍵 [1] 。表面貼裝技術(shù)是微電子元器件封裝工藝中最為重要的一道工序,封裝測試是微電子成品走向市場化的最后一個(gè)環(huán)節(jié) [2] 。因此表面貼裝技術(shù)在微電子封裝工藝流程中占有非常重要的地位，多芯片共晶貼片就是其中一種非常關(guān)鍵的工藝環(huán)節(jié)。多芯片共晶貼片工藝直接決定著產(chǎn)品的質(zhì)量及使用壽命等，對產(chǎn)品性能指標(biāo)有很大的影響。

1 共晶焊接

1.1 共晶焊接原理

共晶焊接又被稱為低熔點(diǎn)合金焊接。共晶焊接的焊接過程是指在一定的溫度和一定的壓力下,將芯片在鍍金的底座上輕輕摩擦，擦去界面不穩(wěn)定的氧化層，使接觸表面之間熔化，由二者固相形成一個(gè)液相 [3] 。冷卻后，當(dāng)溫度低于共熔點(diǎn)時(shí)，由液相形成的晶?；ハ嘟Y(jié)合成機(jī)械混合物。

共晶合金技術(shù)在電子封裝行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，如芯片與基板的粘接、基板與管殼的粘接等 [4] 。具有熱導(dǎo)率高、電阻小、可靠性高、粘結(jié)后剪切力大和散熱性好的優(yōu)點(diǎn) [5-6] 。對于散熱性要求較高的電子元器件大多會(huì)采用共晶合金來完成共晶焊接。

1.2 全自動(dòng)共晶貼片機(jī)

采用全自動(dòng)共晶貼片設(shè)備進(jìn)行工藝貼裝試驗(yàn)。設(shè)備采用凸輪驅(qū)動(dòng)、連桿聯(lián)動(dòng)、精密齒輪齒條、直線電機(jī)、高精度模組和導(dǎo)軌，配合多軸運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)和多相機(jī)視覺定位技術(shù)，確保設(shè)備持續(xù)高速、高精度運(yùn)行。其原理是基于氮?dú)鈿夥毡Ｗo(hù)狀態(tài)下，利用脈沖電源的加熱功能，實(shí)現(xiàn)加熱溫度及加熱時(shí)間實(shí)時(shí)可控，從而完成熱沉墊塊及焊料在管座上的一次性共晶焊接。該設(shè)備實(shí)現(xiàn)了多芯片共晶焊接的復(fù)雜工藝，實(shí)現(xiàn)了溫度時(shí)間實(shí)時(shí)可控，還完全替代了手動(dòng)焊料的過程，提高了多芯片共晶行業(yè)的智能化。同時(shí)高速、高精度運(yùn)行不僅提高了生產(chǎn)效率，還降低了產(chǎn)品虛焊的可能性，使成品的一致性有了很大的提高。全自動(dòng)共晶貼片設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1所示，多芯片共晶貼片工藝流程如圖2所示。

2 共晶焊接熱臺流體仿真

本設(shè)備中共晶焊接熱臺采用脈沖加熱方式，即利用脈沖電流通過高電阻率材料時(shí)產(chǎn)生的焦耳熱來達(dá)到快速加熱的效果。脈沖加熱屬于瞬時(shí)加熱方式，只在融化焊料時(shí)進(jìn)行通電加熱，可根據(jù)焊料的不同設(shè)置多段溫度曲線，實(shí)現(xiàn)加熱溫度及加熱時(shí)間的實(shí)時(shí)控制，可滿足多芯片共晶工藝。熱臺上連接有熱電偶，用于實(shí)時(shí)反饋熱臺溫度至溫控系統(tǒng)，使熱臺溫度與設(shè)置溫度保持一致。

因在共晶熱臺處需要完成多個(gè)復(fù)雜的貼片過程，導(dǎo)致其不可能擁有一個(gè)穩(wěn)定的氣氛保護(hù)焊接環(huán)境，這直接導(dǎo)致了焊接時(shí)候焊料必須在大氣環(huán)境中完成焊接，存在氧化的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)焊料爬錫效果不好。針對焊接效果不好這個(gè)問題，設(shè)計(jì)一個(gè)相對密閉的空間，同時(shí)持續(xù)充入氮?dú)?，控制流速使熱臺管座固定處形成一個(gè)相對穩(wěn)定的氣氛保護(hù)環(huán)境。三維模型經(jīng)過結(jié)構(gòu)簡化后，采用仿真軟件對簡化后的共晶熱臺進(jìn)行流體仿真分析。單一側(cè)進(jìn)氣流體仿真分析云圖如圖3所示，雙側(cè)進(jìn)氣流體仿真分析云圖如圖4所示。

通過對仿真結(jié)果云圖的分析可知，單一側(cè)進(jìn)氣熱臺罩里邊的氮?dú)夥植疾痪?，熱臺管座共晶焊接時(shí)候左右兩側(cè)引線柱處的氮?dú)饬髁恳膊顒e較大，整體的氣氛環(huán)境不太理想，影響共晶焊接效果，通過后續(xù)試驗(yàn)也得出相同的結(jié)論，焊接效果不好。雙側(cè)進(jìn)氣仿真結(jié)果云圖分析可知，熱臺罩里邊各處分布相對均勻，熱臺管座共晶焊接時(shí)候左右兩側(cè)引線柱處的氮?dú)饬髁炕緵]有差別，左右兩邊同時(shí)共晶焊接時(shí)候可以做到條件基本一致，焊接條件理想，后續(xù)工藝試驗(yàn)驗(yàn)證焊接效果達(dá)到客戶使用要求。

3 多芯片共晶焊接試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)材料

5G技術(shù)的迅猛發(fā)展對激光器性能要求越來越高，特別是隨著傳輸速度提升，光電信號轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的熱量也大幅度增多。為提升激光器本身散熱能力，行業(yè)內(nèi)設(shè)計(jì)出針對5G應(yīng)用的新型號管座。通過增大管座扇形臺、增大墊塊尺寸、焊料直接焊接替代金絲鍵合等提升管座的散熱能力。本次試驗(yàn)采用新型TO5605管座，與之匹配的墊塊作為試驗(yàn)材料，焊料選用共晶行業(yè)普遍適用的金錫焊料（Au80Sn20）。

3.2 焊接試驗(yàn)要求

1）焊接后焊料表面光滑明亮，不存在氧化問題；

2）引線柱爬錫高度需達(dá)到引線柱高度的1/4以上；

3）熱沉墊塊焊接后四周焊料溢料均勻；

4）熱沉墊塊貼片X、Y向精度為±15 μm以內(nèi)；

5）熱沉墊塊貼片旋轉(zhuǎn)角度精度為±1°。

3.3 試驗(yàn)及測量儀器

本次試驗(yàn)使用全自動(dòng)共晶貼片機(jī)進(jìn)行共晶焊接，測量儀器為二次元影像測量儀和顯微鏡。

3.4 焊接試驗(yàn)方法

管座上料方式為TO陣列料盤，并使用墊塊藍(lán)膜平臺。焊接方法是在共晶臺處將管座倒置夾緊固定后，首先將熱沉墊塊預(yù)焊在管座扇形臺上，然后放置兩塊焊料，采用特殊的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)將墊塊和焊料置于扇形臺固定位置，并通過吸嘴施加靜壓的方式，同時(shí)共晶，使墊塊焊接在扇形臺上。墊塊電路與管腿焊接在一起，后續(xù)若需要焊接芯片可在熱沉上直接完成，本次試驗(yàn)不焊接芯片。TO5605管座焊接如圖5所示。

3.5 焊接工藝影響因素

影響TO激光器多芯片共晶貼片工藝效果的因素主要有氮?dú)鈿夥窄h(huán)境、氮?dú)饬髁俊⒐簿崤_基礎(chǔ)恒溫、焊接共晶溫度、焊料及管座清潔度、焊接壓力、吸嘴拾放位置精度、吸嘴拾放旋轉(zhuǎn)精度、相機(jī)校準(zhǔn)精度、管座夾持一致性以及運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)各個(gè)時(shí)序的配合。

3.6 焊接工藝參數(shù)的確定

熱沉和焊料吸嘴根據(jù)物料的尺寸大小以及管座尺寸選擇不同規(guī)格型號的電木吸嘴，墊塊吸嘴孔徑為0.5 mm、焊料吸嘴孔徑為0.2 mm。

本次試驗(yàn)在氮?dú)鈿夥盏谋Ｗo(hù)下完成，通過設(shè)置不同進(jìn)氣流量來確定最適合本次焊接的氮?dú)饬髁?，進(jìn)氣量高于7 ml/min時(shí)，吸嘴在放置墊塊及焊料時(shí)會(huì)出現(xiàn)將墊塊及焊料吹飛的情況，從而導(dǎo)致整個(gè)焊接失敗。進(jìn)氣量低于5 ml/min時(shí)，因各個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)導(dǎo)致焊接環(huán)境無法封閉的情況，在氮?dú)饬髁抗?yīng)不足情況下，焊接后存在氧化的風(fēng)險(xiǎn)。所以最佳的氮?dú)饬髁繛?～7 ml/min，本次試驗(yàn)在6 ml/min的氮?dú)獗Ｗo(hù)氛圍下完成焊接。

試驗(yàn)開始前給共晶熱臺設(shè)置一個(gè)基礎(chǔ)恒溫，保證完成管座預(yù)熱，同時(shí)放置墊塊和焊料時(shí)不會(huì)發(fā)生熔化現(xiàn)象，不會(huì)造成吸嘴的堵塞，因金錫焊料（Au80S20）的熔點(diǎn)為280 ℃，為了防止焊料部分熔化以及吸嘴邊粘上焊料情況出現(xiàn)，本次試驗(yàn)將恒溫溫度設(shè)置為270 ℃。

通過設(shè)置不同梯度共晶溫度段進(jìn)行試驗(yàn)來確定適合TO5605管座的最佳共晶溫度，發(fā)現(xiàn)不同溫度存在四種情況：

1）溫度過高，焊料已燒干；

2）焊接后表面光滑，爬錫效果較好；

3）焊接效果稍差，爬錫不太理想；

4）焊料未熔化，未完成焊接。

因此，通過試驗(yàn)脈沖電源共晶溫度選擇在焊接效果最佳時(shí)的418 ℃。

3.7 焊接試驗(yàn)及結(jié)果分析

在進(jìn)行試驗(yàn)之前對管座進(jìn)行超聲清洗，清洗后在全自動(dòng)共晶貼片機(jī)上完成共品焊接試驗(yàn)。焊接成品通過顯微鏡觀察分析可知，焊接表面光滑明亮，不存在氧化的不良情況，爬錫高度達(dá)到了引線柱高度的1/4以上。熱沉下焊料溢料均勻，滿足焊接要求。共晶焊接后通過顯微鏡觀察到管腳與墊塊焊接的側(cè)視圖如圖6所示。共品焊接后通過顯微鏡觀察到管腳與墊塊焊接的正視圖如圖7所示。

3.8 焊接精度測試

采用二次元影像測量儀，抽檢10個(gè)焊接后的管座墊塊，進(jìn)行X向精度、Y向精度以及墊塊焊接后的旋轉(zhuǎn)角度精度的測量，測量精度結(jié)果見表1。

通過對抽檢管座精度測量結(jié)果分析可知，墊塊焊接后X向精度在±10 μm，Y向精度在±13 μm內(nèi)，旋轉(zhuǎn)角度精度在±1°內(nèi)，滿足焊接試驗(yàn)要求，達(dá)到目前市場化量產(chǎn)要求，同時(shí)為后續(xù)芯片貼裝提供了精度保障。

4 結(jié)語

通過對全自動(dòng)多芯片共晶貼片機(jī)以及TO管座工藝的分析研究，得到全自動(dòng)多芯片共晶貼片機(jī)可通過脈沖加熱方式實(shí)現(xiàn)多種規(guī)格型號TO管座的自動(dòng)共晶焊接。通過對共晶焊接熱臺氣氛環(huán)境的流體仿真分析，雙側(cè)進(jìn)氣可保證TO管座熱臺焊接處氣氛環(huán)境的穩(wěn)定持續(xù)保護(hù)，對左右引線柱焊接的一致性提供有效保障。通過對焊接后TO管座顯微鏡下觀察分析可知，焊接表面光滑明亮，不存在氧化不良問題，且爬錫高度達(dá)到了引線柱高度的四分之一，滿足當(dāng)前市場標(biāo)準(zhǔn)及要求。對焊接管座貼片X、Y向及角度精度測量，X、Y向精度均為±15 μm，角度精度為±1°，滿足當(dāng)前光通訊行業(yè)市場化批量生產(chǎn)需求。從而對于提高5G芯片本身的質(zhì)量和可靠性提供了有力保障，對推動(dòng)半導(dǎo)體封裝產(chǎn)業(yè)更加快速的發(fā)展提供了參考依據(jù)。

審核編輯 黃宇