0 弁言
伴随着5G运用的高速发展，更大的传输容量和更快的传输速率支撑成为光器件模块及光通讯行业的追求目标，光器件可以说是光通讯的命脉，而光芯片则为光模块的关键 [1] 。表面贴装技能是微电子元器件封装工艺中最为主要的一道工序,封装测试是微电子成品走向市场化的末了一个环节 [2] 。因此表面贴装技能在微电子封装工艺流程中霸占非常主要的地位，多芯片共晶贴片便是个中一种非常关键的工艺环节。多芯片共晶贴片工艺直接决定着产品的质量及利用寿命等，对产品性能指标有很大的影响。
1 共晶焊接
1.1 共晶焊接事理
共晶焊接又被称为低熔点合金焊接。共晶焊接的焊接过程是指在一定的温度和一定的压力下,将芯片在镀金的底座上轻轻摩擦，擦去界面不稳定的氧化层，使打仗表面之间熔化，由二者固相形成一个液相 [3] 。冷却后，当温度低于共熔点时，由液相形成的晶粒相互结合成机器稠浊物。
共晶合金技能在电子封装行业得到广泛的运用，如芯片与基板的粘接、基板与管壳的粘接等 [4] 。具有热导率高、电阻小、可靠性高、粘结后剪切力大和散热性好的优点 [5-6] 。对付散热性哀求较高的电子元器件大多会采取共晶合金来完成共晶焊接。
1.2 全自动共晶贴片机
采取全自动共晶贴片设备进行工艺贴装试验。设备采取凸轮驱动、连杆联动、精密齿轮齿条、直线电机、高精度模组和导轨，合营多轴运动掌握技能和多相机视觉定位技能，确保设备持续高速、高精度运行。其事理是基于氮氛围围保护状态下，利用脉冲电源的加热功能，实现加热温度及加热韶光实时可控，从而完成热沉垫块及焊料在管座上的一次性共晶焊接。该设备实现了多芯片共晶焊接的繁芜工艺，实现了温度韶光实时可控，还完备替代了手动焊料的过程，提高了多芯片共晶行业的智能化。同时高速、高精度运行不仅提高了生产效率，还降落了产品虚焊的可能性，使成品的同等性有了很大的提高。全自动共晶贴片设备构造如图1所示，多芯片共晶贴片工艺流程如图2所示。
2 共晶焊接热台流体仿真
本设备中共晶焊接热台采取脉冲加热办法，即利用脉冲电流利过高电阻率材料时产生的焦耳热来达到快速加热的效果。脉冲加热属于瞬时加热办法，只在融化焊料时进行通电加热，可根据焊料的不同设置多段温度曲线，实现加热温度及加热韶光的实时掌握，可知足多芯片共晶工艺。热台上连接有热电偶，用于实时反馈热台温度至温控系统，使热台温度与设置温度保持同等。
因在共晶热台处须要完成多个繁芜的贴片过程，导致其不可能拥有一个稳定的气氛保护焊接环境，这直接导致了焊接时候焊料必须在大气环境中完成焊接，存在氧化的风险，同时焊料爬锡效果不好。针对焊接效果不好这个问题，设计一个相对密闭的空间，同时持续充入氮气，掌握流速使热台管座固定处形成一个相对稳定的气氛保护环境。三维模型经由构造简化后，采取仿真软件对简化后的共晶热台进行流体仿真剖析。单一侧进气流体仿真剖析云图如图3所示，双侧进气流体仿真剖析云图如图4所示。
通过对仿真结果云图的剖析可知，单一侧进气热台罩里边的氮气分布不均，热台管座共晶焊接时候旁边两侧引线柱处的氮气流量也差别较大，整体的气氛环境不太空想，影响共晶焊接效果，通过后续试验也得出相同的结论，焊接效果不好。双侧进气仿真结果云图剖析可知，热台罩里边各处分布相对均匀，热台管座共晶焊接时候旁边两侧引线柱处的氮气流量基本没有差别，旁边两边同时共晶焊接时候可以做到条件基本同等，焊接条件空想，后续工艺试验验证焊接效果达到客户利用哀求。
3 多芯片共晶焊接试验
3.1 试验材料
5G技能的迅猛发展对激光器性能哀求越来越高，特殊是随着传输速率提升，光电旗子暗记转换产生的热量也大幅度增多。为提升激光器本身散热能力，行业内设计出针对5G运用的新型号管座。通过增大管座扇形台、增大垫块尺寸、焊料直接焊接替代金丝键合等提升管座的散热能力。本次试验采取新型TO5605管座，与之匹配的垫块作为试验材料，焊料选用共晶行业普遍适用的金锡焊料（Au80Sn20）。
3.2 焊接试验哀求
1）焊接后焊料表面光滑通亮，不存在氧化问题；
2）引线柱爬锡高度需达到引线柱高度的1/4以上；
3）热沉垫块焊接后四周焊料溢料均匀；
4）热沉垫块贴片X、Y向精度为±15 μm以内；
5）热沉垫块贴片旋转角度精度为±1°。
3.3 试验及丈量仪器
本次试验利用全自动共晶贴片机进行共晶焊接，丈量仪器为二次元影像丈量仪和显微镜。
3.4 焊接试验方法
管座上料办法为TO阵列料盘，并利用垫块蓝膜平台。焊接手法是在共晶台处将管座颠倒夹紧固定后，首先将热沉垫块预焊在管座扇形台上，然后放置两块焊料，采取分外的运动机构将垫块和焊料置于扇形台固定位置，并通过吸嘴施加静压的办法，同时共晶，使垫块焊接在扇形台上。垫块电路与管腿焊接在一起，后续若须要焊接芯片可在热沉上直接完成，本次试验不焊接芯片。TO5605管座焊接如图5所示。
3.5 焊接工艺影响成分
影响TO激光器多芯片共晶贴片工艺效果的成分紧张有氮氛围围环境、氮气流量、共晶热台根本恒温、焊接共晶温度、焊料及管座清洁度、焊接压力、吸嘴拾放位置精度、吸嘴拾放旋转精度、相机校准精度、管座夹持同等性以及运动机构各个时序的合营。
3.6 焊接工艺参数的确定
热沉和焊料吸嘴根据物料的尺寸大小以及管座尺寸选择不同规格型号的电木吸嘴，垫块吸嘴孔径为0.5 mm、焊料吸嘴孔径为0.2 mm。
本次试验在氮氛围围的保护下完成，通过设置不同进气流量来确定最适宜本次焊接的氮气流量，进宇量高于7 ml/min时，吸嘴在放置垫块及焊料时会涌现将垫块及焊料吹飞的情形，从而导致全体焊接失落败。进宇量低于5 ml/min时，因各个运动机构导致焊接环境无法封闭的情形，在氮气流量供应不敷情形下，焊接后存在氧化的风险。以是最佳的氮气流量为5～7 ml/min，本次试验在6 ml/min的氮气保护氛围下完成焊接。
试验开始前给共晶热台设置一个根本恒温，担保完成管座预热，同时放置垫块和焊料时不会发生熔化征象，不会造成吸嘴的堵塞，因金锡焊料（Au80S20）的熔点为280 ℃，为了防止焊料部分熔化以及吸嘴边粘上焊料情形涌现，本次试验将恒温温度设置为270 ℃。
通过设置不同梯度共晶温度段进行试验来确定适宜TO5605管座的最佳共晶温度，创造不同温度存在四种情形：
1）温度过高，焊料已烧干；
2）焊接后表面光滑，爬锡效果较好；
3）焊接效果稍差，爬锡不太空想；
4）焊料未熔化，未完成焊接。
因此，通过试验脉冲电源共晶温度选择在焊接效果最佳时的418 ℃。
3.7 焊接试验及结果剖析
在进行试验之前对管座进行超声洗濯，洗濯后在全自动共晶贴片机上完成共品焊接试验。焊接成品通过显微镜不雅观察剖析可知，焊接表面光滑通亮，不存在氧化的不良情形，爬锡高度达到了引线柱高度的1/4以上。热沉下焊料溢料均匀，知足焊接哀求。共晶焊接后通过显微镜不雅观察到管脚与垫块焊接的侧视图如图6所示。共品焊接后通过显微镜不雅观察到管脚与垫块焊接的正视图如图7所示。
3.8 焊接精度测试
采取二次元影像丈量仪，抽检10个焊接后的管座垫块，进行X向精度、Y向精度以及垫块焊接后的旋转角度精度的丈量，丈量精度结果见表1。
通过对抽检管座精度丈量结果剖析可知，垫块焊接后X向精度在±10 μm，Y向精度在±13 μm内，旋转角度精度在±1°内，知足焊接试验哀求，达到目前市场化量产哀求，同时为后续芯片贴装供应了精度保障。
4 结语
通过对全自动多芯片共晶贴片机以及TO管座工艺的剖析研究，得到全自动多芯片共晶贴片机可通过脉冲加热办法实现多种规格型号TO管座的自动共晶焊接。通过对共晶焊接热台气氛环境的流体仿真剖析，双侧进气可担保TO管座热台焊接处气氛环境的稳定持续保护，对旁边引线柱焊接的同等性供应有效保障。通过对焊接后TO管座显微镜下不雅观察剖析可知，焊接表面光滑通亮，不存在氧化不良问题，且爬锡高度达到了引线柱高度的四分之一，知足当前市场标准及哀求。对焊接管座贴片X、Y向及角度精度丈量，X、Y向精度均为±15 μm，角度精度为±1°，知足当前光通讯行业市场化批量生产需求。从而对付提高5G芯片本身的质量和可靠性供应了有力保障，对推动半导体封装家当更加快速的发展供应了参考依据。
作者：高晓伟 等 半导体封装工程师之家
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