銅復(fù)合材料功率外殼釬焊失效分析與改進(jìn)

謝新根，程 凱，申艷艷，李 鑫

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所，南京 210016）

1 引言

隨著電子工業(yè)及航空和航天工業(yè)的迅速發(fā)展，對電子器件芯片焊接的可靠性要求越來越高。針對低頻、小功率產(chǎn)品的芯片粘接一般采用導(dǎo)電膠粘接、銀玻璃燒結(jié)和合金焊接等形式，但存在聚合物材料在高溫下容易分解、釋放氣體，造成內(nèi)部氣氛含量過高等缺點(diǎn)[1]，而銦焊料和錫鉛焊料等合金焊料都是軟焊料，焊層有形成晶須和熱疲勞等可靠性問題，不適用于高頻、大功率及航天應(yīng)用的器件[2]。采用共晶焊接的金錫、金硅、金鍺等焊料焊接具有導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能好、無需助焊劑、工作壽命長、浸潤性優(yōu)良、抗腐蝕及抗蠕變等優(yōu)點(diǎn)[3]，不僅為芯片提供良好的機(jī)械連接和電連接，更為芯片提供了較好的散熱通道，同時(shí)為大功率器件的可靠性提供了保障，廣泛應(yīng)用于光電子和微電子器件封裝中[4,5]。

銅復(fù)合材料功率外殼——本文主要指以銅-鉬-銅（CMC）、銅-鉬銅-銅（CPC）、銅-鎢銅-銅等作為熱沉材料、以金錫或金硅為芯片釬焊焊料的外殼——是雷達(dá)和移動(dòng)通訊基站上發(fā)射機(jī)放大器的核心元器件，在軍民兩用領(lǐng)域都有大量的需求。無論是當(dāng)前主流的硅LDMOS器件，還是下一代雷達(dá)或5G無線通訊基站中逐步占據(jù)主流的GaN器件都大量采用該類型外殼。該外殼市場容量大，然而多年來一直被日本和歐美企業(yè)壟斷，中興和華為等國內(nèi)龍頭企業(yè)每年不得不花費(fèi)數(shù)十億美元進(jìn)口。近年來，外殼的國產(chǎn)化替代取得了較大的進(jìn)展，然而外殼與芯片釬焊過程中失效情況時(shí)有發(fā)生，本文通過芯片焊接失效分析，找到引起失效的原因，并提出了相關(guān)的改進(jìn)措施。

2 銅復(fù)合材料功率外殼釬焊失效與分析

2.1 釬焊失效現(xiàn)象

圖1 某功率管失效外殼

圖1（a）為某功率管外殼，該外殼采用CMC材料為熱沉（熱沉厚度為1.5 mm，1∶4∶1的銅-鉬-銅結(jié)構(gòu)，熱沉供應(yīng)商鍍鎳厚度為2～4 μm），經(jīng)鍍鎳鍍金后熱沉表面鎳層厚度為 3.5～8.9 μm，金層厚度為 1.3～3 μm。芯片焊接以Au80Sn20為焊料，在320℃±20℃、氮?dú)獗Ｗo(hù)的條件下進(jìn)行。焊接后我們按GJB548B方法2012.1規(guī)定進(jìn)行X射線照相，發(fā)現(xiàn)芯片焊接空洞率過高，見圖1（b），按芯片焊接相關(guān)規(guī)定“潤濕面積不得小于粘接面積的75%，并且不得存在不潤濕、弱潤濕或焊料流淌不均勻現(xiàn)象”為合格判據(jù)，此情況為不合格。

2.2 釬焊失效分析

焊接失效后，針對可能導(dǎo)致金錫焊接失效的因素進(jìn)行了排查，譬如產(chǎn)品焊接面翹曲度、金錫焊料片厚度、設(shè)備（鏈?zhǔn)綘t）焊接溫度、焊接設(shè)備氧和水含量、氮?dú)饬髁?、產(chǎn)品表面狀態(tài)等。通過與正常批次產(chǎn)品測試數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品焊接面翹曲度并未發(fā)現(xiàn)異常，通過正常批次產(chǎn)品與失效批次使用同一鏈?zhǔn)綘t、同種規(guī)格焊料片，在相同焊接環(huán)境條件下焊接對比發(fā)現(xiàn)，正常批次產(chǎn)品焊接無異常，失效批次仍存在較大的焊接空洞。根據(jù)以上初步排查，除產(chǎn)品表面狀態(tài)未進(jìn)行驗(yàn)證外，其他因素未出現(xiàn)異常，特針對產(chǎn)品表面狀態(tài)進(jìn)行了以下實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2.2.1 鍍層質(zhì)量分析

通過Fischer鍍層測厚儀測試產(chǎn)品熱沉表面鎳層厚度為3.5～8.9 μm（外殼銀銅釬焊前熱沉鎳層厚度為2～4 μm），金層厚度為 1.3～3 μm，鍍層厚度失效批次與正常批次并無明顯差異。

根據(jù)GJB1420B-2011附錄B中實(shí)驗(yàn)條件A對鍍層質(zhì)量進(jìn)行450℃、空氣氣氛、2 min的鍍層質(zhì)量考核，考核后檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，正常批次外觀檢驗(yàn)并無異常，失效批次產(chǎn)品熱沉出現(xiàn)了輕微紅斑。為進(jìn)一步確認(rèn)，將鍍層質(zhì)量考核時(shí)間延長至10 min，結(jié)果如圖2所示。從圖2（a）可以看出，正常批次產(chǎn)品熱沉外觀仍為顏色均一，并未見異常（見圖2（a）中放大3倍的局部圖片）;從圖2（b）可以看出，失效批次產(chǎn)品熱沉表面紅色斑點(diǎn)非常明顯（見圖2（b）中放大3倍的局部圖片）。初步可以推斷失效批次產(chǎn)品耐高溫性比正常批次產(chǎn)品耐高溫性差。

圖2 正常及失效批次產(chǎn)品鍍層烘烤后圖片

2.2.2 形貌及表面成分分析

為確認(rèn)失效批次產(chǎn)品耐高溫性差的原因，針對鍍層烘烤后的樣品進(jìn)行了SEM形貌分析，見圖3。從圖3（a）可以看出，正常批次產(chǎn)品表面鍍層連續(xù)，均勻一致；但從圖3（b）失效批次產(chǎn)品表面形貌可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品鍍層表面存在一定空隙，存在10 μm左右的空洞，也存在20～30 μm的較大縫隙。

圖3 正常及失效批次產(chǎn)品金層表面SEM圖

為進(jìn)一步確認(rèn)失效原因，對失效批次高溫烘烤后的產(chǎn)品熱沉表面進(jìn)行了EDS-X分析。分析表明，熱沉表面Cu元素原子比高達(dá)21.45%，表明在高溫條件下銅已經(jīng)擴(kuò)散到了金層表面；同時(shí)我們可以看到，冒銹點(diǎn)的孔周圍除銅以外還存在3.55%的Si元素，參見圖4。除此以外，進(jìn)一步對表面進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)表面還存在另一個(gè)異常元素Al（3.08%），參見圖5。通過與供應(yīng)商溝通，了解到因無氧銅表面比較軟，該類型熱沉在加工過程中存在表面劃痕，加工后進(jìn)行了砂紙打磨，電鍍前又進(jìn)行了氧化鋁噴砂處理，有可能在無氧銅表面嵌入砂紙顆粒物SiO2或噴砂顆粒物Al2O3，進(jìn)一步分析確認(rèn)了分析結(jié)果的有效性，嵌入的顆粒物確實(shí)為SiO2或Al2O3。當(dāng)嵌入的SiO2或Al2O3在電鍍前處理無法去除時(shí)，鍍層無法覆蓋，高溫烘烤時(shí)基體材料銅很容易擴(kuò)散至鍍層表面，嵌入的顆粒物越大，高溫?cái)U(kuò)散越嚴(yán)重。從圖4和圖5中發(fā)現(xiàn)，裸露在鍍層表面的顆粒物長度最長的接近40 μm，寬度最長的接近5 μm。這些嵌入的顆粒物導(dǎo)致鍍層不連續(xù)，使得最終產(chǎn)品鍍層表面鍍金層存在空洞和縫隙（圖3（b）），這些空洞和縫隙直接導(dǎo)致了高溫條件下銅、鎳等金屬離子擴(kuò)散到熱沉表面，導(dǎo)致金層不純，最終引起產(chǎn)品的芯片焊接失效。因熱沉材料入檢僅進(jìn)行了10倍顯微鏡的目檢及尺寸相關(guān)檢驗(yàn)，也暴露出了生產(chǎn)材料在入檢過程中的不足，導(dǎo)致不合格熱沉流入后續(xù)生產(chǎn)。

圖4 失效樣品表面分析

圖5 失效樣品表面進(jìn)一步分析

3 銅復(fù)合材料功率外殼釬焊改進(jìn)與驗(yàn)證

根據(jù)以上分析結(jié)果，為避免后續(xù)生產(chǎn)過程中重復(fù)出現(xiàn)類似的失效情況，我們又對比驗(yàn)證了進(jìn)口熱沉（底座不磨表面，鍍前不噴砂）及失效批次產(chǎn)品同型號熱沉但不允許供應(yīng)商進(jìn)行砂紙打磨和噴砂處理（參見圖6），經(jīng)熱沉焊接后產(chǎn)品在同一電鍍產(chǎn)線進(jìn)行了鍍鎳鍍金，熱沉表面鎳層厚度為3.5～8.9 μm，金層厚度為1.3～3 μm（與失效批次產(chǎn)品熱沉厚度保持一致），經(jīng)金錫焊接后外觀檢驗(yàn)為焊料流淌飽滿，同時(shí)按GJB548B方法2012.1規(guī)定進(jìn)行X射線照相，檢驗(yàn)結(jié)果符合“潤濕面積不得小于粘接面積的75%，并且不得存在不潤濕、弱潤濕或焊料流淌不均勻現(xiàn)象”規(guī)定的要求，參見圖 6（b）和 圖 6(c)。

圖6 進(jìn)口熱沉和無噴砂等處理的熱沉焊接圖

表1 不同狀態(tài)熱沉表面粗糙度測試單位 /μm

圖7 不同處理方式熱沉表面處理圖

表2 不同處理方式粗糙度測試單位 /μm

表1為以上不同狀態(tài)熱沉表面粗糙度的測試數(shù)據(jù)，該產(chǎn)品熱沉正常交貨批次的表面粗糙度平均值為1.6μm，失效批次產(chǎn)品熱沉表面粗糙度平均值為2.6μm，國產(chǎn)供應(yīng)商表面不處理的熱沉（圖6（b）產(chǎn)品）表面粗糙度平均為 0.7 μm，另一款進(jìn)口外殼（圖 6（a）產(chǎn)品）表面粗糙度平均值為0.55 μm。從熱沉表面粗糙度的測試數(shù)據(jù)可以看出，失效批次產(chǎn)品熱沉的表面粗糙度大約為正常批次產(chǎn)品熱沉的2倍，如熱沉表面不允許打磨和噴砂，熱沉表面粗糙度又可以做到目前交付產(chǎn)品粗糙度的1/3～1/2。為了進(jìn)一步分析，進(jìn)行了如圖7所示的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證（相關(guān)數(shù)據(jù)見表2），圖7A-1（表面粗糙度為 0.339 μm）、圖 7A-2（表面粗糙度為 0.325 μm）均為材料原始狀態(tài)，圖7A-3（表面粗糙度為0.857 μm）為對材料表面進(jìn)行劃傷處理（模擬加工過程劃傷、碰撞），圖7A-4（表面粗糙度為2.563 μm）為對材料表面過度腐蝕處理（模擬產(chǎn)品返工可能導(dǎo)致的過度腐蝕）。經(jīng)過打磨、噴砂后粗糙度分別為 1.633 μm、2.171 μm、2.252 μm，鍍金后粗糙度分別為 0.539 μm、1.517 μm、1.741 μm、1.831 μm。從以上結(jié)果可以看出，材料表面有劃傷、凹坑、過腐蝕的產(chǎn)品經(jīng)打磨、噴砂后外觀不良現(xiàn)象均能得到改善，但表面粗糙度相對于不處理產(chǎn)品差別較大（0.539 μm/1.831 μm），同時(shí)經(jīng)打磨（SiO2）、噴砂（Al2O3）后產(chǎn)品可能嵌入 SiO2、Al2O3等污染物（見圖4和圖5）。圖7和表2的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，材料表面經(jīng)過打磨和噴砂后，加工過程中的劃痕、過腐蝕等缺陷完全掩蓋，同時(shí)因無氧銅材料非常軟，砂紙打磨和噴砂如處理不當(dāng)極易導(dǎo)致SiO2、Al2O3等污染物的嵌入，對產(chǎn)品可靠性存在較大隱患。后經(jīng)與材料供應(yīng)商進(jìn)一步溝通，供應(yīng)商確實(shí)存在將不合格熱沉進(jìn)行了集中返工處理，在返工退鎳過程中無氧銅表面存在過腐蝕，這也是失效批次產(chǎn)品熱沉表面粗糙度（～2.6 μm）明顯大于正常熱沉表面粗糙度（～1.6 μm）的原因，而正常熱沉入檢圖紙僅要求表面粗糙度小于3.2 μm，并未對其一致性進(jìn)行規(guī)定，導(dǎo)致不合格熱沉最終流入后續(xù)生產(chǎn)。

4 結(jié)束語

為實(shí)現(xiàn)銅復(fù)合材料功率外殼和芯片焊接的高可靠性要求，避免類似失效再次發(fā)生，我們對熱沉材料提出了控制要求：（1）對材料供應(yīng)商提出明確要求，禁止產(chǎn)品退鍍返工，同時(shí)加強(qiáng)來料入檢，對每批次來料的一致性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并制定相應(yīng)控制標(biāo)準(zhǔn)；（2）對每批次來料按一定比例實(shí)行首批試焊接、首批驗(yàn)證制度；（3）對有條件的外殼生產(chǎn)單位盡量采購表面不鍍覆的熱沉，同時(shí)對熱沉表面劃痕、凹坑等提出明確要求，對熱沉表面粗糙度提出更高要求，建議鍍前熱沉粗糙度小于 0.4 μm，鍍金后小于 0.8 μm。

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