TO雷射多晶元共晶貼裝工藝。
高曉偉， 張媛， 侯奕雪， 劉艷麗.
中國電子科技集團公司第二研究院）。
摘要：基於低熔點合金焊接原理，引進全自動共晶貼片機裝置，研究共晶焊接熱臺氣氛的流體保護，進行多晶元共晶焊接試驗，測量焊接產物的相關精度。 通過對焊接效果的質量檢驗和共晶焊接後的精度測量結果的分析，工藝試驗達到了預期的效果，符合目前的產品市場化指標。 研究結論為提高5G晶元本身的質量和可靠性提供了有力保障，為推動半導體封裝產業快速發展提供了參考。
0 引言。 隨著5G應用的快速發展，更大的傳輸容量和更快的傳輸速率支援成為光器件模組和光通訊行業追求的目標，可以說是光通訊的命脈，光晶元是光模組的關鍵[1]。 表面貼裝技術是微電子元器件封裝過程中最重要的工藝，封裝測試是微電子產品市場化的最後乙個環節[2]。 因此，表面貼裝技術在微電子封裝工藝中占有非常重要的地位，而多晶元共晶晶元是關鍵工藝環節之一。 多晶元共晶晶元工藝直接決定了產品的質量和使用壽命，對產品效能指標影響很大。
1 共晶焊接。
1.1 共晶焊接原理。
共晶焊接又稱低熔點合金焊接。 共晶焊接的焊接工藝是指在一定的溫度和壓力下，將晶元輕輕摩擦在鍍金基座上，擦去介面處不穩定的氧化層，使接觸面熔化，由兩者的固相形成液相[3]。 冷卻後，當溫度低於共晶點時，液相形成的晶粒相互結合，形成機械混合物。
共晶合金技術廣泛應用於電子封裝行業，如晶元與基板的鍵合、基板-殼體的鍵合等[4]。 具有導熱係數高、電阻低、可靠性高、粘接後剪下力大、散熱性好等優點[5-6]。 對於散熱要求高的電子元器件，大多會使用共晶合金完成共晶焊接。
1.2.自動共晶貼片機。
採用全自動共晶貼裝裝置進行工藝貼裝試驗。 裝置採用凸輪驅動、連桿聯動、精密齒輪齒條、直線電機、高精度模組和導軌，採用多軸運動控制技術和多攝像頭視覺定位技術，保證裝置連續高速、高精度執行。 其原理是基於脈衝電源在氮氣氣氛保護下的加熱功能，從而實現對加熱溫度和加熱時間的實時控制，從而完成散熱片墊和焊料在管座上的一次性共晶焊接。 該裝置實現了多片共晶焊接的複雜工藝，實現了實時可控溫度時間，完全替代了人工焊錫的工藝，提高了多片共晶行業的智慧型化。 同時，高速、高精度的作業，不僅提高了生產效率，而且減少了產品虛焊的可能性，使成品的一致性大大提高。 全自動共晶貼片裝置的結構如圖1所示，多晶元共晶晶元的工藝流程如圖2所示。
2.共晶焊接熱工作台液**。
本裝置的共晶焊接熱工作台採用脈衝加熱方式，即脈衝電流通過高電阻率材料時產生的焦耳加熱，達到快速加熱的效果。 脈衝加熱是一種瞬時加熱方式，只有在焊料熔化時才加熱，並可根據不同的焊料設定多段溫度曲線，實現加熱溫度和加熱時間的實時控制，可滿足多晶元共晶工藝。 熱電偶連線到熱臺，用於將熱臺的溫度實時反饋給溫控系統，使熱臺的溫度與設定的溫度一致。
由於在共晶熱階段需要完成一些複雜的貼裝工序，不可能有穩定的氣氛來保護焊接環境，這直接導致焊料在焊接時必須在大氣環境中焊接，存在氧化的風險，並且焊錫爬公升效果不好。 針對焊接效果差的問題，設計了乙個相對封閉的空間，同時不斷充氮，控制流速，在熱臺管座固定位置形成相對穩定的氣氛和保護環境。 簡化三維模型結構後，利用軟體對簡化後的共晶熱階段的流體進行分析。 圖 3 所示為單側進水液**，圖 4 為雙面進水液**。
通過對第乙個結果輪廓的分析可以看出，熱工作台蓋單側氮氣分布不均勻，熱工作台管座共晶焊接左右兩側引線柱處的氮氣流量也相差很大，整體氣氛環境不理想， 從而影響共晶焊接效果，通過後續測試也得出同樣的結論，焊接效果不好。雙面進風**結果雲圖分析表明，熱工作台蓋的分布比較均勻，熱工作台管座共晶焊接時左右兩側引線柱處的氮氣流量基本沒有區別，左右兩側同時進行共晶焊接時條件基本相同， 焊接條件理想，後續工藝測試驗證焊接效果符合客戶要求。
3.多晶元共晶焊接測試。
3.1 測試材料。
5G技術的快速發展對雷射效能的要求越來越高，特別是隨著傳輸速度的提高，光電訊號轉換產生的熱量也明顯增加。 為了提高雷射器本身的散熱能力，針對業界的5G應用設計了一種新的型號接頭。 通過增加管頭的風扇臺，增加焊盤的尺寸，用直接焊接代替金線鍵合，提高了集管的散熱能力。 本次測試採用新型TO5605管座，採用配套的緩衝塊作為測試材料，焊料為金錫焊料（AU80SN20），廣泛應用於共晶行業。
3.2 焊接試驗要求。
1）焊料表面焊接後光滑光亮，無氧化問題;
2）鉛柱高度必須達到鉛柱高度的1 4以上;
3）散熱墊焊接後，其周圍的焊料溢位均勻;
4）散熱器緩衝塊貼片x、y方向精度在15m以內;
5）散熱墊貼片的旋轉角度精度為1°。
3.3.測試和測量儀器。
本次試驗採用全自動共晶貼片機進行共晶焊接，測量儀器為二維影像測量儀和顯微鏡。
3.4 焊接試驗方法。
管底的進料方式是陣列托盤，採用緩衝塊藍膜平台。 焊接方法是將管座倒置夾緊，夾在共晶台上，先將散熱墊塊預焊在管座的風扇台上，然後放置兩塊焊料，使用特殊的運動機構將緩衝塊和焊料放在風扇臺的固定位置， 並通過噴嘴施加靜壓，同時共晶，使緩衝塊焊接在風扇台上。緩衝電路和管腿焊接在一起，後續晶元的焊接如果需要可以直接在散熱片上完成，本次測試中晶元不焊接。 TO5605針座焊接如圖5所示。
3.5 焊接工藝的影響因素。
影響TO雷射器多片共晶晶元工藝效果的主要因素有氮氣氣氛環境、氮氣流量、共晶熱級基本恆溫、焊接共晶溫度、焊料和承插清潔度、焊接壓力、噴嘴拾放位置精度、噴嘴拾放旋轉精度、相機校準精度、管架夾緊一致性和運動機構各時序的協調性。
3.6.焊接工藝引數的確定。
根據材料的尺寸和管架的尺寸，選擇不同規格型號的電木噴嘴，緩衝噴嘴的孔徑為05mm，焊錫噴嘴孔徑為02 mm。
試驗是在氮氣氣氛的保護下完成的，通過設定不同的入口流量來確定最適合這種焊接的氮氣流量，當進氣量高於7ml min時，噴嘴在放置緩衝和焊料時會吹走緩衝層和焊料，導致整個焊接失敗。 當進氣量小於5mlmin時，由於各運動機構無法封閉焊接環境，在氮氣流速不足時存在焊接後氧化的危險。 因此，氮氣的最佳流速為5 7 ml min，並在6 ml min的氮氣保護氣氛下完成焊接。
在測試開始前，對共晶熱臺設定乙個基本恆溫，以確保管座的預熱完成，同時放置緩衝塊和焊料時不會出現熔化現象，也不會造成噴嘴堵塞，因為金錫焊料（AU80S20）的熔點為280， 為了防止焊料部分熔化和焊料粘在噴嘴上，本次測試將恆溫溫度設定為270。
通過設定不同的梯度共晶溫度段，確定了適合TO5605集管的最佳共晶溫度，發現不同溫度下存在4種情況
1）溫度過高，焊料已經燒乾;
2）焊接後表面光滑，鍍錫效果較好;
3）焊接效果稍差，攀錫不理想;
4）焊料未熔化，焊接未完成。
因此，通過測試418選擇脈衝電源的共晶溫度，此時焊接效果最好。
3.7.焊接測試和結果分析。
試管架在測試前進行超聲波清洗，清洗後在自動共晶貼片機上完成常見產品焊接測試。 通過顯微鏡觀察分析可以看出，焊接表面光滑光亮，無氧化不良情況，爬公升高度達到引線柱高度的1 4以上。 散熱片下方的焊料溢位均勻，滿足焊接要求。 共晶焊接後，通過顯微鏡觀察焊接到墊片的引腳的側檢視，如圖 6 所示。 副產品焊接後，通過顯微鏡觀察銷和焊盤的前檢視，如圖7所示。
3.8.焊接精度測試。
採用二維影像測量儀隨機檢測10個焊管座墊塊，測定焊後緩衝塊的X方向精度、Y方向精度和旋轉角度精度，測量精度結果見表1。
通過對取樣管座精度測量結果的分析可以看出，緩衝塊焊接後X方向精度在10m以內，Y方向精度在13m以內，旋轉角度精度在1°以內，符合焊接試驗的要求，滿足了目前面向市場的批量生產的要求， 並為後續的晶元放置提供精度保證。
4 結論。 通過對全自動多片式共晶貼片機和TO插座工藝的分析研究，得出全自動多片式共晶貼片機可以通過脈衝加熱實現各種規格型號的TO插座的自動共晶焊接。 通過對共晶焊接熱工作台流體環境的分析，雙面進風口可以保證TO管座熱工作台焊接處氣氛環境的穩定和持續保護，為左右引線柱焊接的一致性提供有效保證。 通過焊接後的TO承插顯微鏡的觀察分析，可以看出焊接表面光滑光亮，不存在氧化不良的問題，爬公升高度達到引線柱高度的四分之一，符合當前市場標準和要求。 焊接插座的x、y、角度精度為15m，角度精度為1°，滿足了目前光通訊行業面向市場化的量產需求。 這為提高5G晶元本身的質量和可靠性提供了有力的保障，為推動半導體封裝產業的快速發展提供了參考。