刘　艳，徐　骁，陈洁民，陈　凯
（中国电子科技集团公司第55研究所，南京 210016）

摘　要：文章在介绍半导体金锡焊料封装工艺的基础上，重点对金锡焊料、炉温曲线设置等工艺技术问题进行了深入研究。基于大量的金锡焊料真空焊接封装实验及理论分析，研究了器件气密封装技术。讨论了封焊夹具、管帽镀层、合金状态、封接面表面、压块、焊料厚度以及加热程序对焊接质量的影响。密封后的产品在经过环境试验和机械试验考核后，封装气密性能很好地满足要求。并且结合应用背景证明了所采用的合金及封装工艺的可行性。
关键词：金锡焊料；真空；炉温曲线
中图分类号：TN305.94 文献标识码：A 文章编号：1681-1070（2012）10-0001-02

AuSn Solder Packaging in Vacuum Oven
LIU Yan, XU Xiao, CHEN Jiemin, CHEN Kai
（China Electronics Technology Group Corporation No.55 Research Institute, Nanjing 210016,China）
Abstract: In this paper,with the introduction of semiconductor packaging technology of AuSn solder,emphasis on the deep research of technology problems of AuSn solder and temperature curve settings.Based on many vacuum AuSn solder packaging experiments and theoretical analysis,research the technologies of module gas-tight packaging. Discusses the effects of packaging fixture,lid plating layer,alloy state,interface,pressing block,solder thickness and heating process to the solder packaging. The gas-tight performance can be fairly meet after environment mechanism test. The feasibility of alloy used and packaging technique can be proved according to the application background.
Key words: AuSn solder; vacuum; temperature curve

1 引言
在军事和民用高可靠电子领域，封装气密性是最重要的可靠性指标之一，AuSn合金气密封装，不但其密封性和耐高温性能好[1]，同时其工艺还具有很多优势：（1）盖板厚度无要求，封焊后机械强度大，盖板耐压大；（2）对封装材料无要求，柯伐合金、铜、铝均可以实现气密封装；（3）封装应力小，只要选取与壳体一致的材料作为盖板材料，就可以使器件承受最严酷的使用条件；（4）无须经过任何特殊处理就可经受住盐雾试验，使器件可以在腐蚀性气体下长期可靠地运行。因此该工艺在很多需要高可靠性陶瓷金属结构气密封装的微波半导体器件和集成电路中应用广泛。
真空炉金锡封焊工艺具有多品种的生产特性，采用该工艺可以通过程序设计控制产品质量，实现整批次同时封焊，能够很大程度地提高生产效率。

2 技术研究
2.1 试验采用的封焊夹具
为实现批次同时进行封焊并保证其精确定位，采用了倒置型批次封焊夹具，在托盘的槽孔里面依次放入盖板、合金预制片、壳体、压块，然后将托盘放入真空加热箱，加热到熔点温度后形成共熔/共晶，将壳体和盖板密封焊接在一起，如图1。

 
图1 封焊示意图

2.2 影响因素
2.2.1 管帽镀层质量对焊接质量的影响
镀镍层如果不够致密，或者过薄的情况下，基材中的某些微量元素（如Fe）能显著促进合金的氧化，析出Fe能形成FeSn初晶[2]，影响AuSn合金的流动，进而影响气密性。
2.2.2 合金状态对焊接质量的影响
在AuSn合金封装前，预制成的附有合金圈的管帽应保存在氮气柜中，使用前用特制的清洗液加以清洗，以去除合金圈表面少量SnO或SnO2及其他污染物。
根据AuSn合金封装中锡的氧化机理，空气中的氧易与AuSn合金中的锡反应生成金属氧化物，在表面形成氧化膜，随着温度的升高，合金分子热运动加剧，其碰撞机率大大提高，从而加快合金中锡的氧化[3]。
2Sn+O2→2SnO
2SnO+O2→2SnO2
在一定温度下，氧化物按分配定律可部分溶解于AuSn合金熔液中，同时由于浓差关系使氧化物向金属熔液内部扩散，进而阻碍液态焊料与固体母材的润湿，还会导致氧化膜进入焊缝，产生各种连接缺陷，从而影响封焊效果。据报道，合金中氧含量必须低于0.5%，否则很难取得密封效果。
2.2.3 封接面表面状况对焊接质量的影响
必须确保外壳封接面的洁净。当封接面存有玷污，浸润性就会很差，在金锡熔融的状态下，沾污处会形成气泡，在加热、加压的时候，气泡延展、爆破，造成漏气或金锡焊料飞溅。
2.2.4 压块大小对焊接质量的影响
由于加热方式以热板式为主，它的传热方向依次为盖板→焊料环→壳体，在壳体上加夹具，这样不仅能够控制导热，同时也起到了高温加压作用。管壳表面平面度存在差异，针对管壳的大小差异调节压块的大小以此弥补管壳差异。加载在封装盖板上的压力要适中，压力过大会使焊料在焊接时流出，压力过小，焊接的密封性较差。
2.2.5 焊料厚度的选择
为了避免合金向外堆积以及有利于焊料铺展，必须设计适合焊料环的大小及厚度，这决定了产品的成品率。常用的合金情况见表1。
表1 壳体封装面积与焊料厚度
 
2.2.6 加热程序是成品率的重要保证
真空炉金锡封焊整个工艺过程分为三步：真空烘烤→充氮熔封→快速冷却。通过程序设计，精确控制加热时间、加热速度、降温速度、氮气压力、真空度，摸索出最优的温度曲线，保证封帽的成品率，如图2。

 
图2 工艺温控及压控曲线图

金锡合金的熔点在共晶温度附近对成分是非常敏感的，当金的重量比大于80％时，随着金的增加，熔点急剧提高。而被焊件往往都有镀金层，在焊接过程中镀金层的金会浸入焊料。在过厚的镀金层、过薄的金锡Au80Sn20预成型焊片、过长的焊接时间下，都会使浸析入焊料的金增加，从而使熔点上升[4]。所以上述各类焊接参数都需优化，AuSn（80:20）合金焊料在焊接时所施加的温度应使焊料能够有足够的流动性和润湿性，通常炉子峰值温度应选在约为350℃，焊接时间为2min~4min，焊接成品率可在98%以上，使样品对角线充分接触平台，测量此时对角线的实际长度D。
（d）利用公式“扭曲率＝R/2D”计算塑封基板的扭曲率。
4.3 翘曲率判据标准
关于PBGA翘曲度，业内并无明确标准。IPC-A-600H中规定，采用表面贴装元器件的印制板，弓曲和扭曲应当小于等于0.75%（≤7.5μm/mm）。还有些PCB厂要求覆铜板翘曲度小于0.5%（＜5μm/mm）甚至0.4%（＜4μm/mm）。相比于PCB板，PBGA基板不承重，且工艺水平可以严格控制其翘曲度，因此可将0.4%作为塑封基板翘曲率的合格判据标准。此外，如客户有更为严格的要求，可与其协商，共同制定双方均能接受的翘曲率标准。

5 结论
位置度和线性度测量方法为：采用激光测量显微镜测量BGA、CCGA焊球球心顶点和焊柱顶端面圆心的X-Y平面坐标，等效表征为焊球球心和焊柱轴线的X-Y平面投影坐标，将实测坐标导入Auto CAD与设计图纸的理论坐标点或实测基准线比较，确定位置度和线性度尺寸，并根据JEDEC标准判断是否合格。翘曲率测量方法为：采用激光测量显微镜测量PBGA植球前基板面的最高点和最低点Z向坐标，然后根据翘曲形式（弓曲或扭曲）选择翘曲率计算公式。计算得到的结果以0.4%内（＜4μm/mm）为标准判断是否合格。若客户有更高标准，与之协商共同制定双方均能接受的翘曲率合格判据。

参考文献：
[1] GB/T 1182-1996. 形状和位置公差通则、定义、符号和图样表示法[S].
[2] EIAJ ED-7304-1997. Measuring Method for Package Dimensions of Ball Grid Array (BGA) [S] .
[3] 曾光龙. 覆铜板和PCB板翘曲成因与预防措施[J]. 印制电路信息，2006，4：29-30.
[4] JEDEC Publication 95 Desigh Guide 4.14 Ball-Grid-Array Package Design Guide [S].
[5] JEDEC Publication 95 Desigh Guide 4.5 Fine-Pitch Square Ball Grid Array Package Design Requirement [S].
[6] IPC-A-600H-2010 CN 印制板的可接收性[S].