杨亮亮，陈 容，秦文龙，张 颖
(中国电子科技集团公司 第二十四研究所)
择要:
剖析了功率 IC 芯片真空回流焊装置中锡溅锡珠、芯片翻转、边缘空洞 3 种工艺毛病的产生机理。研究了钢网厚度、钢网开口、回流韶光、压力参数对真空回流焊工艺毛病的影响。结果表明，功率 IC 芯片上的空洞随焊膏厚度增加而减小，“9 宫”钢网开口更易于保持印刷厚度的同等性。采取 120 s 预热韶光、升温区预真空、变压力真空回流焊等方法，减少了锡溅锡珠，杜绝了芯片翻转，改进了芯片边缘空洞。
0 引 言
在功率稠浊电路生产过程中，须要将功率芯片、元件装置于基板并封装在管壳内。基板一样平常采取Al 2 O 3 、AlN、BeO 等高导热率陶瓷，采取 SMT 工艺和微组装工艺进行装置，采取冶金或聚合物粘接工艺进行基板入壳封装。随着稠浊电路向高功率、高可靠方向发展，功率 IC 冶金装置更随意马虎知足低空洞率、低热阻、低内部气氛等高可靠性哀求。采取真空回流焊工艺，焊接界面具有更低空洞率、更好散热性、良好的电气和机器可靠性。但是，工艺过程中会产生锡溅锡珠、芯片翻转、边缘空洞等毛病。本文研究了功率 IC 装置中真空回流焊工艺存在的毛病，提出了相应的办理方法。
1 锡溅锡珠
1. 1 锡溅锡珠产生机理
锡溅锡珠产生机理是焊膏或焊锡中的易挥发身分剧烈挥发，爆炸性排气带出了焊锡或金属氧化物残渣，产生过程如图 1 所示。设熔融焊锡中气泡受到的压力为 p，回流焊气氛压力为 p 0 。当 p＞p 0 时，气泡将向熔融焊锡气液的界面运动并累积。随着回流温度升高和韶光推移，气泡不断膨胀堆积。当 p＞＞p 0 时，气泡将在熔融焊锡界面爆破，喷溅出气体、助焊剂、焊锡珠和氧化物残渣。
熔融焊锡中，气泡充满气体。根据 Laplace 公式，p 与焊锡表面张力 γ、p 0 、气泡曲率半径有关:
焊锡中气泡呈球形，设直径为 d，式(1)简化为:
真空回流焊工艺过程中，随着 p 0 持续减少，回流温度升高，气泡内的焊锡张力减小，d 增大。为了坚持平衡，p 则要减小。因此，锡溅锡珠受真空回流的真空度、温度、韶光、温升速率等参数影响，也与焊膏、元器件及焊接界面的镀层材料有关。
真空回流的锡溅锡珠示例如图 2 所示。图 2(a)表示芯片表面微锡珠，图 2(b)表示器件镀层飞溅微锡珠，图 2(c)、图 2(d)表示焊膏焊锡飞溅锡珠。
尺寸 10 μm 以下的锡溅锡珠为器件镀层飞溅所致，尺寸 30 μm 以上的锡珠为真空焊锡飞溅所致，超过 300 μm 的锡珠为钢网设计不当、印刷、回流毛病所致。锡珠在粒子碰撞噪声检测(PIND)和短路绝缘测试时会致器件失落效，而微锡珠防治不当，还会沾污键合焊盘，导致键合质量隐患，以是锡珠的防治尤为主要。本文紧张谈论真空回流焊工艺的预热韶光对锡溅锡珠的影响。
1. 2 锡溅锡珠与锡膏预热韶光的关系
测试 A、B、C 焊膏(三个厂商)不同预热韶光对锡溅锡珠的影响。采取均匀锡珠数表征焊膏的锡溅锡珠。在白陶瓷基板印刷 50 个焊盘，统计回流焊工艺后各焊盘的锡珠数，再求和、取均值。A、B、C 焊膏相应的均匀锡溅锡珠与回流预热韶光的关系曲线如图 3 所示。可以看出，随着预热韶光延长，均匀锡溅锡珠数均呈低落趋势。在预热韶光为 120 s 旁边，均匀锡溅锡珠数为较低值。
1. 3 采纳的防治方法
剖析上述征象，本文采纳的防治方法如下。1)延长真空烧焊的预热韶光，以梯度趋势抽真空，缓慢开释焊锡中的气泡压力，可减少图 2(c)、图 2(d)所示的锡溅锡珠。2)对付湿敏器件、电容等端头易飞溅的器件，采纳来料真空回流验收、增加锡溅锡珠考验、杜绝不合格物料进线、组装前严格除潮处理等方法，可减少图 2(a)、图 2(b)所示的锡溅锡珠。3)设计夹具遮蔽非烧结焊盘，在器件上方覆盖铜网，吸附飞溅的锡珠，也可减少锡溅锡珠的产生。
2 芯片翻转
2. 1 芯片翻转机理
焊膏材料选用不当、回流曲线设置不当会导致真空回流时发生芯片翻转。功率 IC 芯片一采取真空回流时，芯片翻转率为 5%，如图 4 所示，真空回流曲线如图 5 所示。该芯片选用另一厂家焊膏装置，却未曾发生芯片翻转。比拟创造，在回流抽真空时，芯片高下跳动幅度较大，焊锡液中助焊剂气化膨胀剧烈，导致芯片翻转。
由斯托克斯定理可知，气泡在熔融焊锡中受的阻力为 F=3η ν B d，运动速率为:
式中，ρ B 为气泡密度，ρ L 为液态焊料密度，η 为粘滞系数，d 为气泡直径，g 为重力加速度。d 在 20～40 μm 范围内时，上升运动速率 ν B 为 100 ～ 380μm/s ［3］ 。焊膏厚度为 140 μm 时，4 μm 直径气泡上浮到焊锡表面仅需 5 s，2 μm 直径气泡约需 14 s ［4］ 。因此，在焊锡融化期间，气泡有足够韶光上浮至芯片底部。随着真空度的降落，助焊剂中液体饱蒸汽压沸点降落，汽化加快，持续加热产生了更多气泡，大量气泡迅速膨胀，堆积于芯片底部，直到爆破排气。
设芯片底部的焊膏中助焊剂气化后为空想气体，回流时完备气化的温度 T 1 为 245 ℃，真空腔压力 p 1 为 101 kPa，气泡的体积为 V1 。完成抽真空后，温度 T 2 为 245 ℃，真空腔压力 p 2 为 1. 01 kPa，气泡的体积为 V 2 ，则有:
由式(4)可知，V 2 ∶ V 1 = 100 ∶ 1，表明芯片底部助焊剂的气泡在真空下体积膨胀了近 100 倍。当芯片重力 G chip 与焊锡表面张力分力 γsin θ 之协力小于气泡对芯片压力 F p 与焊锡对芯片浮力 F b 之和时，芯片会跳动，在其焊缝四周排出气体来泄压;当 G chip 与
γsin θ 之协力远小于 F p 与 F b 之和时，芯片会被气体压力顶翻，产生毛病。因此，减少芯片底部气体堆积及气泡压力可防止芯片翻转。
2. 2 采纳的方法
采取栅格焊膏印刷图形，以增加芯片与焊膏间的排气通道。降落抽真空速率，在回流升温阶段，提前预抽真空，排出焊膏预热和升温阶段产生的气体，以减少回流时的气体量，降落芯片底部的气泡压力。采纳方法后的真空回流曲线如图 6 所示。本次实验采取了多批次功率 IC 芯片进行回流，数量为 1 000多只。芯片翻转率为 0%，表明有效地杜绝了芯片翻转的问题。
3 空洞
3. 1 空洞与焊膏量的关系
功率 IC 芯片的底部空洞率哀求≤25%。当单个气泡空洞的直径靠近粗铝丝的直径时，键合可能会在芯片表面产生弹坑，尤其是较薄的 IGBT 芯片。因此，功率 IC 芯片底部的空洞应尽可能低。真空回流参数不变时，空洞随印刷焊膏厚度的增大而减少，关系示意图如图 7 所示。芯片尺寸为 9. 4 mm×7. 4mm。可以看出，对付相同开口、不同厚度的钢网印刷焊膏，在真空回流焊工艺后，芯片底部的空洞随焊膏厚度增加而减少。
3. 2 空洞与钢网开口的关系
在钢网厚度、印刷参数相同的情形下，芯片底部空洞与钢网开口的图形有关。四种钢网开口的芯片空洞、印刷厚度比拟如图 8 所示。
A 为“9 宫”开口，B 为“米形”开口，C 为“矩形”开口，D 为“6 宫”开口。四种开口的初始印刷焊膏厚度差异不大。随着印刷韶光的延长，大于 90 min后，由于焊膏粘滞力的影响，B、C、D 开口图形的印刷厚度越来越薄，乃至 B、C 焊盘中间涌现漏白征象。从图 8(c)可知，A 开口图形漏印 180 min 后，印刷厚度仍约为 100 μm。由于 A、D 开口图形漏印在焊盘上的焊膏为小矩形阵列，在芯片装置后焊膏间有排气通道，真空回流时可避免产生空洞和芯片翻转。从图 8(b)可知，对付空洞率，A＜D＜C＜B。因此，选用 A，即“9 宫”开口图形，印刷焊膏的厚度同等性好，底部空洞较少。
3. 3 芯片边缘空洞
回流焊时，芯片浮于熔融焊料表面。焊料由于张力向中间紧缩，再由于氧化物残渣、助焊剂在回流过程向芯片外排挤，易在芯片四周形成占位，导致焊锡润湿不充分，从而产生边缘空洞。芯片的边缘空洞如图 7(a)、图7(c)、图9(a)所示。一样平常边缘空洞可采取夹具，给芯片一定压力来改进。还可增加焊膏厚度、升高峰值温度、延长回流韶光等，以增加焊锡湿润来改进。本文采取增加焊膏厚度、变压力真空回流来改进空洞情形，如图 9(b)所示。
首先，在真空回流焊料融化前，对升温区预真空排气，融化后一段韶光后，充氮、改变压力，挤压芯片，增加焊锡芯片周边缝隙的湿润度。然后，连续抽真空，脱泡，减小空洞。末了，掌握充氮和冷却速率，完成回流焊接。增加抽放真空是为了改变焊锡层内外气体的压力状态，利于焊锡排挤、湿润芯片边缘，从而减少芯片的边缘空洞。变压力真空回流曲线如图 10 所示。
4 结 论
本文对功率 IC 芯片装置中真空回流焊工艺毛病，如锡溅锡珠、芯片翻转、边缘空洞等机理进行研究。结论如下:1) 锡溅锡珠与器件状态、焊膏预热缘勾留韶光过长的情形很危险。好的器件构造设计应该采纳方法，避免电流丝在某一位置稳定存在，从而避免器件因局部过热而烧毁。
