真空共晶炉的改进与提升

陆俊

东莞市盛雄激光先进装备股份有限公司 广东省东莞市 523000

摘要：在激光以及高功率集成产品中，元件与热沉的互连主要有几种方式：直接接触、导电胶/金属粘接和共晶焊接。与前两者相比，共晶焊接具有热阻小、传热效率高、焊接器件形变小和结合强度高等优点，特别适用于对热管理性能更高的激光增益模块、LD泵源、电子行业高功率器件封装等。本文对真空共晶炉的焊接温度 均匀性 气体氛围等进行分析，以供参考。

关键词：真空共晶炉；激光增益模块；热管理

引言

近些年，随着国内激光加工行业以及新能源产业的迅猛发展，应用端对高品质、高功率、高稳定性的激光器件和功率芯片提出了更高的要求。早些时候在激光器件和功率芯片方面，存在着虚焊、焊接强度不高、焊接应力过大等问题，这些因素不仅影响了器件的长期稳定性还制约了其整体性能。因此需要结合应用中对焊接的需求，结合以往真空共晶炉设计参数及实际运行情况，调整优化真空共晶炉受热面和氛围，来解决焊接质量的问题。

1工装设计方法

在使用共晶炉进行功率芯片/激光增益模块的共晶焊接中，常用的工艺方法是将功率芯片/激光增益模块装配至工装内部，然后将工装整体放置于共晶炉内的热板上，由热板下方和上方的红外灯管辐射加热以实现焊接。上述工艺方法存在着几方面的问题：1）共晶焊接工装包含底板、载体定位板、压力调节装置等，结构较为复杂，内部存在过多的界面，热量通过石英灯经热板传递至焊接区域时，需要经过工装底板、载体定位板、散热载体等多个界面，热阻很大，传热效率不高，不能实现预定工艺曲线，导致产品生产效率较低；2）现有的共晶炉加热板存在温度差，表面温度分布存在中心温度高、外围温度低的问题，单个功率芯片共晶焊接时可保证良好的温度均匀性，焊接效果较好，但在批量化生产中，由于工装尺寸较大，焊接时外围温度与中心温度存在较大差异，中心焊接温度过高，出现过焊现象，外围焊接温度过低，有未焊透现象，造成产品合格率不高的问题。下面详细讨论解决上述问题的方法。

2组装工艺

组装工艺按照材料划分为电子组装与激光增益模块组装。

电子组装使元件和电路板完成两种意义上的连接：一、机械连接，即达到一定要求的机械强度和使用可靠性；二、电气连接，即元件之间信号传输畅通无阻并且噪音小，抗干扰能力强。焊接是目前电子制造业中实现这两种连接应用最有效最广泛的连接方法[6]。电子产品的焊接方法应用最为广泛的有两类，其一为通孔焊接THT(ThroughHoleTechnology)。通孔焊接即元件引脚和电路板上确定位置的通孔相配合—引脚插入通孔然后以钎焊完成连接。为了实现群焊，发展起来波峰焊完成通孔焊。通孔焊接的优点在于连接强度高，易于实现，成本较低。但随着电子产品的高密度化和小型化，通孔焊要进一步提高组装密度较为困难；相对于通孔焊接发展起来表面组装SMT(SurfaceMountingTechnology)—即直接把元件的焊端或引脚贴装在PCB表面的焊盘上，以回流焊完成电气和机械连接。表面组装是组装工艺中的具有革命性意义的进步。由于相应的发展起来各种封装形式的贴装元件，该技术使得组装密度大为减少，结构更为紧凑。同时电信号的传输距离缩小，抗干扰能力增强，电气性能也大大提高。

激光增益模块组装实际是将增益介质与设计好水道的热沉进行连接。对于低功率增益模块来说由于发热量较小，通过直接接触的方式进行连接即可满足其对导热的需求；对于中等功率的器件来说，可以通过在增益介质与热沉之间垫一层铟、液态金属或者石墨片，增加其导热性能；而对于几百瓦或者上千瓦的器件来说，上述方法远远不足以满足器件对导热的需求，对此我们会根据实际情况选择金锡焊、铟焊、键合焊接等方式在增强导热性能的同时，控制器件的表面形变。

3焊接

　　在升温预热阶段，通过缓冲使得焊接表面温度均匀，升温至焊接温度后保温焊接。在保温焊接阶段，最重要的是确定焊接温度和保温时间。真空共晶炉的炉腔具有一定容积，支撑板和夹具都具有不同的热导率和体积，因此不能直接将焊接温度设置为合金熔点。在共晶样件前，先将一片合金放置在夹持好的载板上，设置参数后观察合金熔化并充分铺展开时的温度，将其设置为焊接温度，一般高于合金熔点280℃。焊接时间的确定需通过样件来观察。手动共晶时，使用镊子夹持元件并摩擦十几秒即可完成共晶，而自动共晶无法摩擦促进焊料的浸润和铺展，因此将焊接时间设置为30s为基准进行试验和观察，确定最佳时间。

4影响共晶的主要因素

4.1焊接氛围

现有设备可实现的焊接氛围主要有两种：真空环境和氮气环境。在真空环境下，加热过程中热导媒介少，而且几乎只有辐射这一种传热方式，不同物体表面、不同区域吸热不同，容易出现受热不均匀的情况。因此，热电偶检测的腔内空气温度已达到焊料熔点时，合金表面的温度可能并没有达到熔化温度。现有设备的最高工作温度为450℃，在真空气氛下观察焊料发现，石墨夹具1和不锈钢夹具2上的焊料分别在430℃和450℃时开始熔化，但没有迅速铺展。在氮气环境下，惰性气体能一定程度上抑制氧化物的形成，而且增加了热导媒介，传热性较好，导致相同的炉温设定下，焊料的实际温度较高，即焊料熔化时设置的炉温较低。通过试验发现，石墨夹具1和不锈钢夹具2上的焊料分别在320℃和340℃时开始熔化。

4.2焊接保温时间

保温时间过长会形成“过焊”，即熔融的金锡焊料中“吃入”过多电路片和载板背面的金，减少了金-金接触面，若焊接面的金层全部融入焊料中，则金锡焊料直接与载板和电路片的基底材料如钼铜合金、氮化铝接触，不再是低欧姆接触的金-金连接，使得结合强度降低。在显微镜下观察，缝隙中的焊料不光滑，呈颗粒状。保温时间过短，焊料不能完全铺展和浸润，焊接面积小导致强度降低。

5装配及焊接流程

1. 将座架依照四角定位孔放置于共晶炉炉腔内部，炉腔与座架过渡配合；2）在体式显微镜下将载体、焊片、芯片依次放置于芯片定位模块上表面的芯片定位槽中，然后将具有锅盖结构的陪片放置于芯片表面；3）将压力模块通过座架上的定位销定位在座架上，压柱通过导向通孔安装至定位模块上，压柱底端与陪片相接触，提供焊接压力，大小为0.005N/mm2；4）安装完成后进行共晶焊接，共晶焊接温度为320℃，焊接时间30s。选用GaAs芯片对共晶焊接工装进行验证，其中芯片尺寸为2mm×3mm，MoCu载体尺寸为2.1mm×3.1mm。焊接参数选择焊片大小80%、焊接温度为320℃、焊接时间30s、焊接压力0.01N/mm2进行焊接实验。共晶后功率模块X-ray检测结果如图7所示，可以看出焊接空洞率≤5%。目检结果显示芯片三面均有焊料溢出，焊料铺展，没有出现堆积，GaAs芯片边缘未超出MoCu载体，满足要求。最终对样品进行剪切强度测试，剪切力＞50N。装配、焊接和冷却时间共用时0.5h，生产效率100片/h。

6回流焊设备

回流炉本质是一个加热器。但由于回流焊对加热条件的要求严格，使其必须具有高的温度精度和稳定性。(1)加热系统加热模块均采用增强型PID控制的强制热风循环系统，具有优良的均温性和热效率。控温精度±2℃。各温区上下加热，独立循环，独立控温。前后循环回风设计和优良的热风喷嘴对流系统，可有效防止温区之间气流影响，保证温控精确。加热效率高，升温速度快。(2)控制系统模块化智能控制软件，电脑全自动控制各温区的上下加热模块温度，网带进板速度；可以实现各温区独立温控及监视和在线温度曲线测试分析功能，SmartPara虚拟仿真功能，节省参数的调整时间。(3)冷却区采用外置冷水机冷却的高效冷水循环冷却，可以满足各种无铅冷却速率的要求。冷水区温度可以进行实时监控，外置冷水机的冷水温度可调节。

7混合焊点中的IMC研究

金属间化合物(IMC)是由不同材料的相互扩散引起的，受温度影响，是影响焊点可靠性的微观结构之一。IMC主要形成于两个阶段：在焊接过程中焊料合金与焊盘间的润湿反应和在产品的储存及使用期间固体状态的老化。IMC层的生长动力学,发现在IMC形成的初始阶段生长速度是由反应控制的,而之后速度由扩散控制。刚开始形成的IMC对焊点来说能保持良好的冶金结合，但随着IMC厚度的增加会使界面脆性增加而引起失效。电子产品的失效常发生在服役中，服役中焊点互连界面以及焊料内部的金属间化合物会随着服役时间的延长而生长，会严重影响产品的可靠性。不同焊料合金和衬底金属形成的IMC类型、成分、形貌及形核地点均不同，在随后时效中的变化也不同，最终导致接头断裂的机理也不同。对于混合焊点虽然用的是SnPb焊膏，但BGA焊球为SnAgCu，在焊接以及老化过程中IMC的形成及变化将更具特点。

8真空共晶炉的改进与提升

温度均匀性提升，真空共晶炉加热方式是采用石英灯红外加热器辐射加热，因为红外线辐射加热具有穿透力，可内外同时加热，升温迅速，热滞后小，热交换速率快。红外线照射到被加热的物体时，一部分射线被反射回来，一部分射线被穿透过去。而这部分被穿透过去的红外线，是因为该部分红外线波长和被加热物体的吸收波长一致，从而使被加热的物体吸收这部分红外线热能，这时，被加热物体内部分子和原子发生“共振”，产生强烈的振动、旋转等不规则运动，而这些强烈的振动和旋转等不规则运动使被加热物体温度升高，达到了加热的目的。利用此加热方式，重要的是红外线波长与被加热物体波长的匹配，即当照射到物体上的红外线频率与组成该物体的物质分子振动频率相同时，分子就会对红外辐射能量产生共振吸收，同时通过分子间能量的传递，使分子内能（振动能及转动能）增加，也就是分子平均动能增加，表现为物体温度升高。影响真空共晶炉温度均匀性的因素有很多，主要包括炉腔内石英灯红外加热器之间的排布、单支石英灯红外加热器的功率分布、石英灯红外加热器与被加热物体之间的距离、被加热物体吸收波长的特性等。改进前的真空共晶炉采用炉腔内等间距分布的12根等功率的石英灯红外加热器加热，然后将热量辐射至形状规则、材质均匀的石墨加热板上以实现对器件的加热，该方式能够实现的板面温度均匀性为±5℃。通过对炉腔内热场进行模拟分析，对炉腔内石英灯红外加热器安装位置重新排布，对单根石英灯红外加热器加热功率分布进行优化并选择新型复合材料AlSiC作为被加热物体，从而将整个板面温度均匀性提高至±2℃。

在芯片功率器件以及机关增益模块焊接过程中，为了达到更好的焊接效果，一方面控制焊接炉中的氛围，初始阶段对仓体进行密封抽真空，在两个加热阶段初期向仓内添加适量草酸还原焊料表面的氧化层，在器件达到熔点附近左右在通过吹氮气等方式促使焊料的融化并促使器件与热沉达到稳定焊接的状态。

另外在功率器件焊接完降温阶段，可以关闭水冷机，通过环境温度自然冷却的方式进行降温，此种方法可以减少因为增益介质与热沉热膨胀系数不一致导致的表面形变。

结束语

真空共晶炉的改造重点关注真空共晶炉焊接均匀性、长期可靠性、焊接应力是否符合要求。通过一系列的改造和优化，真空共晶炉基本可以满足KW量级芯片功率器件以及机关增益模块对热管理的需求。

参考文献

[1]林在滨.Cr12MoV钢真空淬火过程研究[D].中原工学院,2019.

[2]井文丽,程丕俊,胡钦华.真空/可控气氛共晶炉加热系统的优化设计[J].太阳能,2019(18):55-57.

[3]霍灼琴,杨凯骏.真空环境下的共晶焊接[J].电子与封装,2018,10(11):11-14.

[4]唐顺杰.大功率LED封装共晶炉及灯具传热过程仿真分析[D].华中农业大学,2018.

[5]李静静,于正国,向德祥.氢气作为还原气体用于LED共晶的可行性探讨[J].电子与封装,2017,10(04):32-34+38.

[6].GJL-225真空/可控气氛共晶炉[J].中国集成电路,2017,18(05):36-37.

[7]谢珍勇,郭晓军.Cr12Mo1V1钢陶瓷模块“爆模”失效分析[A].中国金属学会.2017中国钢铁年会论文集（下）[C].中国金属学会:中国金属学会,2017:3.