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Au基共晶焊料的焊接技术及其应用

【时间】2016-02-23 14:38:21   【来源】 indiums 【阅读】次 【字体:

   

雷达技术发展迅猛,雷达一直受益于Moore's定律和许多新技术成果,如MMIC GaAs T/R组件和相控阵组件等。兼容到未来机载、星载雷达上的使用,组件的体积、质量必须尽可能的小,才能满足高机动性的作战目的。考虑到TR组件壳体材料的特殊性和使用环境的恶劣性,其封装材料的选择至关重要。

目前常用的封装材料有四种:钎焊料、共晶焊料、玻璃焊料和有机焊料。有机焊料由于在力学、导电、导热、气密性等方面有明显不足,在可靠性要求较高的雷达制造中使用受到限制。在一定温度范围内,玻璃焊料膨胀系数与硅接近,封接造成热应力较小、机械强度较高、热稳定性和化学稳定性好、气密性好,但封接层是绝缘的不适用。钎焊时,原始硅表面不能被焊剂所浸润,因此必须对硅表面进行金属化处理。钎焊作业温度低,产生的热应力比共晶焊接小,但由于机械强度较低和存在热疲劳蠕变现象,也很少被使用。共晶焊接速度快,一般不需要助焊剂,工艺重复性好,封装气密性好,机械强度高,并具有较高的热和化学稳定性,应用较多【1】。 
1 Au80Sn20共晶焊料焊接基本原理和研究内容
1.1 Au80Sn20共晶焊料焊接的基本原理
钎焊的第一阶段是熔化的焊料在准备接合的固体金属表面进行充分的扩散,这一过程一般称为“润湿”。对于金属晶体来说,原子有规则地排列在原子空间,各个原子互相吸引又互相排斥,以此维持一定的间隔;游离的电子为许多金属离子所共有,这些金属离子有规则地排列,形成金属的结晶。熔化的焊料要润湿固体金属表面,必须具备一定的条件。其条件之一就是要求焊料和金属表面必须“清洁”,这样焊料与母材的原子才能接近到能够相互吸引结合的距离,即接近到原子引力起作用的距离。
用焊料焊接同体时,润湿是重要的条件。伴随着这种润湿现象,还会出现焊料向同体金属扩散的现象。扩散又分为表面扩散、晶界扩散和晶内扩散。
焊接时,在母材与焊料的界面,即液相与固相界面卜发生扩散现象。焊接后冷却至室温,在焊接处形成由焊料层、合金层和母材层组成的接头结构,此结构决定焊接接头的强度。这个合金层就是在焊料和母材界面上生成的,称“界面层”,与该层直接或间接有关的层称“扩散层”,此时在焊接结合处必须有金属间化合物和共晶合金。
为了获得最佳的焊接质量,首先要使母材表面润湿,使焊料和母材金属的原子间距离接近到原子间隙,这时原子的聚集力起作用,将焊料和母材金属结合为一体。另外,液体分子整齐地排列成点阵状,依靠相互间的分子引力来保持平衡。处于表面的分子还有部分引力无处释放,可以认为,这部分引力起着吸引移动过来的其他分子的作用。焊接时,熔化焊料的原子一接近母材,就会进人晶格中去,依靠相互间的吸引力形成结合状态。其他原子移动到条件合适的空穴上,停在稳定的位置。焊缝处的成分和机械强度等因焊料与母材的结合及结合时的各种条件不同而异。共晶焊接时,对连接金属加以一定的压力非常重要。加压的目的是使母材与焊料形成紧密的接触,
以利于接触反应熔化的进行。压得越紧,母材之间的接触点越多,液相形成的速度越快,接触面上形成的液相越完全。加压的作用又可使形成的液相从间隙内挤出,以免母材溶解过多,在液相挤出同时,破碎的氧化物也被挤出间隙,有利于提高接头质量【2-3】。 
1.2主要研究内容
本试验采用镀金的金属基板(镀Ni/Au),金锗焊片Au80Sn20共晶焊片、砷化镓试验材料,装夹前使用无水乙醇清洗金属基板与焊片,去除材料表面的油污和其他污物,挑选平整的焊片进行装夹,隧道炉传输带上的温度均匀性良好,且通过充保护气体具有抑制(H:去除氧化物)氧化物的能力,整个试验采用热电偶进行全炉温度跟踪实测,设定的温度点如表1所示,焊接过程中隧道炉各阶段的保护气体流量如表2所示,热电偶实测试验件上的焊接温度曲线如图l、图2所示。
 
2试验结果与分析
在显微镜下观察焊好的试件,Au基共晶焊料的润湿性较好,润湿角小于90°,呈R角,如图3所示。说明Au基共晶焊料与基板能较好地相互扩散,且中间界面形成致密的金属化合物,提高了焊件的可靠性。将焊件进行X—ray检测,焊透率如图4、图5所示。从X—ray检测自动计算数据可知,通过隧道炉焊接的Au基共晶焊料试件其焊透率均能达到90%以上,具有很低的空洞率,说明焊料充分润湿了基板和芯片背面,形成了致密的金属化合物。
采用Dage拉力测试仪对Au基共晶焊料焊接的试件进行剪切力测试,剪切力高达147 N(砷化镓被剪切碎),远大于砷化镓本身的剪切力,完全满足使用要求。
由以上分析可知,采用Au基共晶焊料能形成优质的焊缝接头。该焊缝是在一定条件下获得的,应包含两个过程:一是焊料填满焊缝的过程。二是焊料与母材相互作用的过程。焊料填满焊缝的过程体现在焊料在母材问隙中的毛细流动特性,焊料填充焊缝的优劣取决于焊料对母材的润湿性。从图3可以看出,Au基共晶焊料的润湿性好,润湿角小于90°,呈R角,Au基焊料填满焊缝并在焊缝四周形成圆滑的焊角。与此同时,液态焊料与母材发生相互扩散作用,可以归结为两种:一种是母材向液态焊料的扩散,即溶解;一种是焊料向母材的扩散。这些扩散作用对焊缝接头的性能影响很大。母材向焊料的适量溶解,可使焊料成分合金化,有利于提高焊缝强度。从图4、图5和剪切力数据可知,焊缝致密且接头强度高。可以认为,Au基焊料与Ni/Au镀层固态金属接触时,Ni/Au晶格内的原子结合被破坏,它们与液态金属的原子形成新键,发生溶解,提高了焊缝接头强度141。Au基焊料向Ni/Au镀层扩散为体积扩散,在接头处组织具有较高的强度和良好的塑性,有利于接头性能。Ni作为衬底镀层,在保证良好可焊性的基础上,减少了AuSn4金属间化合物过多的数量和粗大的尺寸,使它们之间被韧性的B—Sn基体组织分割,有效改善了可靠性[Sl。因此,Au基共晶焊料与Ni/Au镀层的金属基板焊接的试件完全满足使用要求。采用隧道炉焊接操作方便,传输带上各处的温度均匀性良好,焊接各阶段均能填充保护气体且能精确控制其流量,抑制(H:去除氧化物)氧化能力强,生产效率高,能够满足产品的大批量生产。
3 应用情况
3.1 金锗共晶焊料在TR组件上的应用
常用封装壳体材料有AISiCp、A1Si、Kovar、Ti,A1、Cu等,与电路板的热膨胀系数匹配得较好的有A1SiCp、A1Si、Kovar、Ti,其中Kovar、Ti的导热率较低,但两者均能实现激光焊接,且两者各有优势:Kovar是最常用的金属封装壳体材料,Ti的密度小、刚度好,但两者的机加工工艺性差。A1SiCp、AISi的导热率较高、密度小,且A1SiCp的刚度好,但是两者由于SiCp或Si的含量过高均不适用于激光焊接(熔焊),采用金锗合金焊料进行封装是一种很好的封装形式,通过设计焊接夹具装配,真空焊接曲线控制(控制温升温降的速率)。壳体焊后经测试:变形量非常小,达0.08mm;气密性检漏漏率量级10-10 Pa·m3/s。 
3.2 Au80Sn20共晶焊料在TR组件上的应用
砷化镓微波单片集成电路(GaAs MMm)以其体积小、质量轻、可靠性高等优点已成为应用在微波领域的重要器件,在雷达、移动通信等领域也应用广泛。同时其芯片的封装工艺也凸显重要,而芯片的焊接是芯片封装的重要工艺环节【6-8】。
微波电路通常频率较高(1 GHz以上),芯片的接地状况影响电路串扰和插入损耗,同时也带来了附加电容与震荡。TR组件所用发射部分的大功率MMIC芯片应具有5 W的发射功率,即在4.5 minx3.0 mmx0.1 mm的体积内要承受5 W的功率,加之芯片的基体材料GaAs导热差。因此,大功率芯片与基体(基板)的连接必须要有较好的微波接地能力(低欧姆接触)和散热能力,选用合金焊料焊接较为合适【9】。对电阻要求高的二极管、晶体管以及任何无钝化、对污染十分敏感的器件都应使用Au80Sn20共晶焊片,TR组件所用发射部分的大功率MMIC芯片采用Au80Sn20共晶焊料焊接后经X—ray检测,其焊透率高达95%以上。
4 结论
(1)Au基共晶焊料焊接的焊缝形态好,与母材有良好的相互扩散作用。
(2)Au基共晶焊料的焊接其焊透率均能达到95%以上,具有很低的空洞率。
(3)剪切力高达147 N,且远大于砷化镓自身的剪切力。
(4)Au金基共晶焊料已成功地应用于TR组件中,生产效率高,能够满足产品的大批量生产。




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