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真空共晶焊接技術(shù)是一種新型封裝技術(shù),它可以在不使用任何助焊劑的情況下,實現(xiàn)對大功率芯片的共晶焊接。在大功率芯片的封裝過程中,共晶焊接是連接基板和芯片的一項核心工藝技術(shù),焊接質(zhì)量的優(yōu)劣直接決定產(chǎn)品性能。與其他常規(guī)的焊接方式相比,共晶焊接的導(dǎo)熱系數(shù)高、電阻小、傳熱快、可靠性高。在芯片共晶焊接后對其進行檢驗時,空洞率是最主要的考核指標(biāo),空洞率的大小會直接決定芯片焊接質(zhì)量。

焊接空洞

所謂空洞，就是在焊料和母材的界面處，存在未潤濕的空隙，或者在焊料內(nèi)部存在空洞。導(dǎo)致空洞缺陷產(chǎn)生的因素是多方面的，主要因素有殘留氣體、表面氧化、表面污染、焊劑殘渣和母材表面粗糙度等。

焊接空洞失效原因及采取措施

(1)焊料浸潤性差

浸潤性的好壞直接影響焊料流淌性能及焊接強度，良好的浸潤性能減少空洞，提高焊接強度。

焊料的浸潤性差，一方面可以認為焊料與芯片背面的接觸面積較小;另一方面說明浸潤液體邊緣受到的界面張力較大，阻礙了焊料的鋪展過程。

焊接的第一階段,是熔化的焊料在固體的金屬表面進行充分擴散,即潤濕。熔化的焊料要潤濕固體金屬表面的前提就是要求焊料片和金屬表面必須要潔凈。固體表面的潤濕性主要由界面層原子或原子團的性質(zhì)決定。

通過等離子清洗，可以去除表面污染物，引入親水極性基團，增加焊料與芯片背面的接觸面積，提高浸潤性，增大焊接面積及焊接強度。

（2）焊料表面氧化層

焊料存放時間過長，會使其表面產(chǎn)生過厚的氧化層。如果在焊接過程中沒有人工干預(yù)氧化層是很難去除的，焊料熔化后形成的氧化膜會在焊接后形成空洞。

采用等離子清洗技術(shù)對焊接表面作進一步清洗，可以清除掉在材料表面的雜質(zhì)，并將管殼、焊料、芯片的氧化程度降到最低，從而減少空洞的產(chǎn)生，提高焊接質(zhì)量。

(3)焊接表面顆粒及粘污

在焊接過程中，如使用了不潔凈的管殼或芯片背面受到了污染，會造成焊接過程中的焊料不能完全擴散，形成空洞，影響焊接效果。因此，管殼、芯片、焊片在焊接前要嚴格處理，去除材料在加工期和傳遞過程中帶來的污染。采用超聲和等離子清洗可有效去除材料表面的顆粒、有機粘污和離子沾污。

等離子清洗效果

利用等離子清洗機對芯片載體、焊料片進行清洗,獲得的清洗效果如圖1-1所示。

圖1-1 等離子清洗前后潤濕效果對比圖

等離子清洗機清洗改善被焊接面表面的潤濕性,通過判定潤濕性是否改善以及其改善程度即可判定清洗的效果。

通過以上圖片可以看出,清洗后的潤濕角變小,表面狀態(tài)改善良好。為了進一步測定,將清洗前后的材料進行焊接,通過x-ray檢測其空洞率,效果如圖2-1所示。

圖2-1 等離子清洗前后焊接x-ray對比圖

通過以上x-ray檢測圖片看出,等離子清洗后的焊接空洞率接遠小于5%,完全滿足大功率芯片的焊接要求。