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摘自高可靠电子装联技术  2021年9月1日

       共晶焊接是一种低熔点的合金焊接，它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成液态，而不经过塑性阶段。在对共晶焊接分析时可知，共晶焊料是由两种或者两种以上的若干金属组成的合金。还有一个概念是共晶温度，它是共晶材料的熔化温度，它往往会受到共晶焊料中合金成分比例的影响 。

       1.AuSn (80/20)共晶点:280°C – 比较普遍金属化合物比较隐定 

       2. AuSn (10/90)共晶点: 217°C – 金属化合物比较不隐定 

       3. 80 Au 20 Sn =280℃熔点 

       4. 88 Au 12 Ge =356℃熔点 

       5. 98 Au 2 Si =370℃熔点 

       6. Ag3.5 Sn 96.5 =232℃熔点. 

、

       大功率LED普遍使用的材料: 

          – AuSn(80/20)共晶点：282°C

          – AgSn(3.5/96.5)共晶点：232°C

传统固晶工艺如下： 

1）银胶固晶：以银粉+环氧树脂在加热的条件下(150℃/1h)固化的方式粘合晶片与支架 

2）绝缘胶固晶：以绝缘胶在加热的条件下固化的方式粘合晶片与支架特点:A粘接强度大B绝缘胶透光可提升亮度 

共晶熔合金属固晶方式; 使用特殊工艺制作的共晶晶片,利用超声波振荡使LED晶片底部的Sn/Au合金层熔化,与支架底部形成金属与金属的熔合。

共晶熔合金属固晶相比于传统固晶方式的优点: 

1）金属与金属的熔合,有效降低欧姆阻抗

2）有效提升热传导效率

共晶固晶的应用特点:

1）有效提升热传导效率

2）延缓LED亮度衰减 

3）提高LED的热稳定性 

4）适应功率型LED工作时的散热要求，为功率型LED进入照明应用领域打下基础 

IC芯片与基板的焊接是共晶焊接的主要应用方向。通常使用金锡(AuSn 80／20)、金硅(AuSi)、金锗(AuGe)等合金材料的焊片将芯片焊接到基板(载板)上，合金焊片放在IC与基板问的焊盘上。为了抑制氧化物的形成，通常在IC的背面镀一层金。以上3种焊料已经被成功地使用于器件进行高温处理，它具有好的机械性能和热传导性。 

虽然环氧导电胶粘接工艺中导电胶和缘绝胶贴片非常方便，生产率高。但在微波频率高或功率大时，由于导电胶的电阻率大(100～500μΩ•cm)、导热系数(2～8 W／m•k)小，会造成微波损耗大，管芯热阻大，结温高，影响功率输出和可靠性。因此对于频率高、功率大的器件，只能采用共晶焊接。 

焊料的选用：焊料是共晶焊接非常关键的因素，有多种合金可以作为焊料，如AuGe、AuSn、AuSi、Snln、SnAg、SnBi等，各种焊料因其各自的特性适于不同的应用场合。如：含银的焊料SnAg，易于与镀层含银的端面接合，含金、含铟的合金焊料易于与镀层含金的端面接合。

   空洞的产生：若焊料存放时间过长，会使其表面的氧化层过厚，因焊接过程中没有人工干预，氧化层是很难去除的，焊料熔化后留下的氧化膜会在焊后形成空洞。在焊接过程中向炉腔内充入少量氢气，可以起到还原部分氧化物的作用，但最好是使用新焊料，使氧化程度降到最低。 

空洞产生后，需降低空洞率。共晶后，空洞率是一项重要的检测指标，如何降低空洞率是共晶的关键技术。空洞通常是由焊料表面的氧化膜、粉尘微粒、熔化时未排出的气泡形成。由氧化物所形成的膜会阻碍金属化表面的结合部相互渗透，留下的缝隙，冷却凝结后形成空洞。 

消除空洞的主要方法有： 

1)共晶焊前清洁器件与焊料表面，去除杂质 

2)共晶时在器件上放置加压装置，直接施加正压 

3)在真空环境下共晶 

共晶炉一般选用高纯石墨夹具。其优点是：在一个氧化环境中，石墨中的碳形成CO和CO2，背"擦干"氧气的优点。石墨是各向同性材料，晶粒在所有方向上均匀、密集分布，受热均匀。焊接元件被固定在石墨上，热量直接传导，加热均匀，焊接面平整。 

高纯石墨夹具具有以下特点： 

1)高温变形小，对器件影响较小 

2)导热性好，有利于热量传播，使温度均匀性好 

3)化学稳定好，长期使用不变质 

4)可塑性好，容易加工 

5）甚至有助于共晶

影响共晶焊接的因素：

真空度：在共晶焊接过程中，如果真空度太低，焊区周围的气体以及焊料、被焊器件焊接时释放的气体容易在焊接完成后形成空洞，从而增加器件的热阻，降低器件的可靠性，扩大IC 断裂的可能。但是如果真空度太高，在加热过程中传导介质变少，容易产生共晶焊料达到熔点但还没有熔化的现象。在实践中，通常对共晶焊接时的真空度要求为5Pa和10Pa之间。但对于一些内部要求真空度的器件来说，真空度要求往往更高，一般到5×10-2 Pa和5×10-3Pa之间，甚至更高。 

保护气氛：当前应用的保护气氛主要有氮气保护焊和甲酸气氛保护焊两种。前者主要应用于体积比较大，而没有明显焊接高要求的器件。在使用时，可以将真空炉抽成真空然后再将氮气注入，并且要多次循环，以将真空炉中保持较高的氮气浓度；而后者主要应用于含铟的焊料时，在使用时，通过对流量的控制，来达到对进气量和抽气速度的控制，将真空度保持在2000Pa的条件下，以达到高温时能对氧化物进行有效还原。 

       压力的影响 : 在进行共晶焊接时，芯片上方施加的压力大小也会直接对焊接的质量产生直接影响。用真空可控气氛共晶炉在真空环境下实现共晶时，常常在加热的石墨夹具上设置相关装置来完成对芯片的加压过程。值得注意的是，针对不同的芯片产品，所施加的压力都是不同的，从数克压力至数十克压力不等。对压力大小的控制可以通过压块自重来实现。当然，还存在着一些比较特殊的加压方式，比如弹簧加压等，由于原理较为复杂，实践使用中也比较麻烦，所以应用并不是很广泛。 

         甲酸气氛保护下的In焊料 ：影响芯片焊接质量的因素比较多，除了芯片载体表面的洁净度等物理因素，还有在焊接过程中如何对焊料表面的氧化层的去除，以达到芯片与焊料、载体的浸润状态。这里综合考虑各方面因素，对比较有代表性的、延展性较好的In焊料进行探讨。它的熔点比较低，而且比较容易氧化，在焊接过程中总会产生不同程度的氧化，这种氧化物比较稳定，低温下难以去除，如果不能去除的话，就会对芯片的焊接强度以及散热等方面产品影响.

共晶贴片（有时称为共晶贴片粘结）是用于需要增强散热的装置（如高功率放大器）的贴片技术。当涉及传统贴片环氧树脂的释放气体时也使用此技术。金锡、金锗和金硅是三种常见的共晶合金。简而言之，通过将封装或基片放置于可受到热控制的表面上或将封装或基片移动到该表面来自动实现共晶贴片工艺。然后自动化系统将焊膏和模片按顺序放置于基片上。之后急剧升温，实现回流。在理想情况下，由于产能和质量的原因，迅速进行温度剧变。工艺必须在惰性环境中进行，避免氧化。使用称为擦洗的技术可以实现无空隙粘结。下面我们将详细介绍共晶贴片工艺，包括使用同时加工多个部件的联机方法的自动化系统。

焊料回流共晶贴片

共晶贴片被定义为使用中间焊料合金在两个表面之间形成连续粘结的工艺。共晶贴片是一种贴片技术，主要用于针对标准贴片粘结材料进行释放气体敏感的气密封装。例如，在光电子应用中，这通常意味着两个镀金表面通过铅锡、金锡或金锗焊料接合。为实现该粘结，一般将焊膏放置于一个元件（通常为载体或基台）上；然后使第二元件（通常为微波装置、光探测器或激光芯片）对接焊膏。通过加热组件放置的基底，或通过使加热的气体流过组件使组件的温度升高到正好高于焊料的熔点。正如焊料液化，通过适当的力放置芯片。使部件冷却到回流温度以下并完成共晶贴片。根据装置类型和构造，可以在放置过程中使用擦洗。使用共晶组合物使共晶贴片工艺温度降至最低。

擦洗

擦洗步骤包括在装置放置到基片期间将垂直和侧向力同时施加到装置。芯片通常沿负向移动三至五密耳 (0.003–0.005″)，然后沿x轴或y轴方向进行类似但正向的移动；重复该步骤几回。还可以沿另一个方向移动。有时采用旋转擦洗。擦洗参数包括x、y和θ方向的振幅、速度和频率。参数由工艺要求确定，如芯片的表面积或载体的质量以及工艺限制（如邻近模片的接近程度）。在三种材料中，擦洗是常见材（粘结）形成的关键工艺步骤。挤出空气会减少空隙。另外，焊料更好地分布于模片上，压力有助于扩散过程。

保护气体

在部件受热期间，控制其中焊接过程的进气至关重要。共晶贴片通常在惰性环境中进行，防止粘结表面氧化。可以使用90–95%氮氢混合气，使其中的氢气用于形成粘结。

对于金硅共晶，自动化视觉系统会登记该封装。然后机器拾取和放置模片，使用擦洗操作（如上所述）促进共晶贴片的形成。氢气和氮气的加热保护气体通常存在于共晶贴片区域。

对于焊料回流共晶贴片（如砷化镓 (GaAs) 和氮化镓 (GaN) 模片的金锡 (Au/Sn) 粘结），系统会校准封装，然后拾取焊膏并放置于加热的封装上（如果需要，可以预先放置焊膏）（图4）。要进行回流，需拾取模片并放置于其所需放置的位置，并且擦洗，同时通过脉冲加热共晶贴片阶段使共晶贴片位置处的温度升高。

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