倒裝LED芯片共晶焊接性能研究

魯 青，鄒 軍，石明明，朱雨軒，陳 躍，翟鑫夢，陳俊峰，楊 磊，楊 忠，徐 慧

(1. 上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 理學(xué)院，上海 201418； 2. 上海燈欽光電科技有限公司，上海 201100；3. 上海蒂林楓智能科技有限公司，上海 201799； 4. 嘉興潤弘科技有限公司，浙江 嘉興 314100；5. 浙江航泰新材料有限公司，浙江 嘉興 314100； 6. 浙江億米光電科技有限公司，浙江 嘉興 314100；7. 上海厚睦萊電器科技有限公司，上海 201600； 8. 邵陽市亮美思照明新科技有限公司，湖南 邵陽 422000)

進(jìn)入21世紀(jì)以來，發(fā)光二極管(light emitting diode，LED)作為一種新型冷光源，在照明領(lǐng)域上快速發(fā)展，它具有節(jié)能、環(huán)保、高可靠性和設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)點(diǎn)，因此得到了廣泛的研究開發(fā)和應(yīng)用[1-2]。倒裝LED(flip chip LED，F(xiàn)C-LED)燈絲球泡燈作為新一代的照明源，因?yàn)樗牡寡b平面涂覆技術(shù)可以做到360°發(fā)光，而且無藍(lán)光泄露，壽命長和光衰慢，所以越來越被一些喜歡懷舊復(fù)古風(fēng)格的人所追捧[3-4]。隨著越來越多的國家推行“禁白”計(jì)劃，F(xiàn)C-LED燈絲球泡燈外觀更接近白熾燈的優(yōu)勢使得LED燈正逐步取代白熾燈的地位[5-6]。在LED行業(yè)飛速發(fā)展的同時(shí)，如何降低能耗、增加LED燈的光照壽命，提高其可靠性和生產(chǎn)效率也成了眾多學(xué)者的研究內(nèi)容。而在FC-LED燈封裝過程中，省略了焊線這一步驟后，將芯片貼裝到基板等器件上成為了提高LED燈質(zhì)量極為關(guān)鍵的一步，即FC-LED燈絲封裝工藝流程，如圖1所示。

圖1 FC-LED燈絲封裝工藝流程圖Fig.1 Flip-chip LED filament packaging process flow chart

目前各大廠家主要采用2種方法：① 是銀漿導(dǎo)電膠粘接，② 是進(jìn)行共晶焊接[7]。導(dǎo)電銀膠粘接的操作工藝簡單、成本費(fèi)用低廉、粘合過程快、易修復(fù)、可在室溫環(huán)境直接粘接，但它只適用于低功率和中功率，在面對大功率時(shí)，其導(dǎo)熱系數(shù)低、電阻大的缺點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致芯片的PN結(jié)溫度升高，影響到LED燈的功率性能及可靠性。隨著時(shí)間推移，導(dǎo)電銀膠還會(huì)產(chǎn)生性能退化，難以滿足長期可靠性的要求。共晶焊接作為一種新型固晶工藝，具有導(dǎo)電膠不具備的優(yōu)勢。

共晶焊接是一種低熔點(diǎn)的合金焊接，它是指在相對較低的溫度下共晶焊料發(fā)生共晶物熔合的現(xiàn)象，共晶合金直接從固態(tài)變成液態(tài)，而不經(jīng)過塑性階段[8]，共晶焊接示意圖如圖2所示。

圖2 共晶焊接示意圖Fig.2 Schematic diagram of eutectic welding

LED芯片通過共晶焊料熔合在覆銅鍍金的鋁基板上，這種金屬連接的熱學(xué)性能和力學(xué)性能都比導(dǎo)電膠粘接工藝更好。因此，共晶焊接適合用來對一些大功率電子器件和更需要散熱能力的功率器件。為了改善共晶焊接封裝的性能，更好地發(fā)揮共晶焊接的優(yōu)勢，國內(nèi)一批學(xué)者從共晶焊料入手，對不同的共晶焊料做了分析和研究。

1 共晶焊料

共晶焊接通過共晶焊料熔合將芯片固定在基板上，共晶焊料有多種分類方法，根據(jù)熔點(diǎn)和成分不同可分為低溫、中溫、高溫3類，如表1所示。

表1 共晶焊料分類表Tab.1 Classification of eutectic solder

影響焊料特性的主要參數(shù)有合金焊料成分、焊劑的組成及合金焊料與焊劑的配比；合金焊料粉末顆粒尺寸、形狀和分布均勻性；黏度、觸變指數(shù)和塌落度；工作壽命和儲(chǔ)存期限。目前我國針對焊料錫膏的評判已出臺(tái)了多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，如表2所示。

國家標(biāo)準(zhǔn)能規(guī)范共晶焊料的生產(chǎn)，但如何使不同焊料應(yīng)用到最適用的焊接場景中，還需要學(xué)者去不斷試驗(yàn)和研究。下面從無鉛焊料和有鉛焊料2個(gè)方面對研究成果分類詳述。

1.1 無鉛焊料

無鉛焊料并不是指焊料內(nèi)不含鉛，而是要求鉛含量必須減少到符合RoHS歐盟標(biāo)準(zhǔn)，即含量低于0.1%的水平，同時(shí)電子制造必須符合無鉛的組裝工藝要求?！半娮訜o鉛化”也常用于泛指包括鉛在內(nèi)的6種有毒有害材料的含量必須控制在0.1%的水平內(nèi)。無鉛焊料是目前的潮流趨勢，應(yīng)用范圍也越來越廣。

表2 共晶焊料(錫膏)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Specifications of eutectic solder (solder paste)

Guan等[9]研究了2種不同的共晶焊料(SAC0307和Sn90Sb10)對FC-LED燈絲性能的影響。并通過掃描電子顯微鏡(SEM)圖像，剪切力測試、穩(wěn)態(tài)電壓測試、光通量和結(jié)溫等測試來表征2種焊料焊接的燈絲之間的差異。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與SAC0307絲焊點(diǎn)相比，Sn90Sb10絲焊點(diǎn)的顯微組織表面更光滑，空隙和裂紋更少，表明Sn90Sb10絲焊點(diǎn)的剪切力高于SAC0307絲焊點(diǎn)，平均剪切力超過200 gf(標(biāo)準(zhǔn)剪切力)。由 Sn90Sb10焊接的FC-LED燈絲的穩(wěn)態(tài)電壓和結(jié)溫較低，光通量較高。因此，如果需要得到高可靠性的焊點(diǎn)和更好光電性能的燈絲，Sn90Sb10焊料是共晶焊接的優(yōu)先選擇。

LED器件的散熱不僅與封裝材料的導(dǎo)熱率有關(guān)系，還與共晶焊料的導(dǎo)熱率有關(guān)[10]。文獻(xiàn)[11-12]中對導(dǎo)線銀膠、錫膏共晶和金錫共晶3種不同的固晶材料進(jìn)行了相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)由金錫共晶完成的LED器件熱阻相對更低。在此基礎(chǔ)上，殷錄橋等[13]選取了金錫(Au80Sn20)作為共晶焊料將美國科銳公司的LED芯片焊接到覆銅鍍金的陶瓷基板，并將封裝好的LED器件進(jìn)行了熱阻結(jié)溫測試、光學(xué)測試、共晶層厚度測試和剪切力測試。在熱阻測試中發(fā)現(xiàn)底部和頂部共同加熱的金錫共晶封裝的LED器件的互連層熱阻為3.7 W·m-1·K-1，相對于錫膏、銀膠，互連層熱阻分別降低了20%和36%，有效地改善了互連層熱阻[13]。而進(jìn)行底部加熱的金錫共晶互連層熱阻達(dá)到8.7 W·m-1·K-1，因此底部、頂部一起加熱的金錫共晶技術(shù)有助于減小共晶互連層熱阻。分析金錫共晶工藝封裝的LED器件的峰值波長后發(fā)現(xiàn)金錫共晶的峰值波長偏移較小，出光方面穩(wěn)定，驗(yàn)證了共晶互連工藝能有效降低互連層熱阻、提高出光率，并且還能提高互連層的互連強(qiáng)度。

金錫共晶焊料的熔融溫度為280 ℃，在LED器件工藝制造中通常歸為高溫焊料類別，因此經(jīng)常用于梯度焊料中。史超[14]通過金錫合金相圖，表明焊點(diǎn)周圍存在著由金屬間化合物組成的不同的相，影響金錫焊料的物理和化學(xué)性能，如圖3所示。

圖3 金錫合金相圖[14]Fig.3 Phase diagram of gold-tin alloy[14]

史超[14]分析了幾種金錫焊料制備技術(shù)，并歸納了它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)，指出蒸發(fā)金錫共晶具有蒸發(fā)速度快、蒸發(fā)后純度高、夾具成本低廉、厚薄合適的優(yōu)點(diǎn)，但也有蒸發(fā)面積大，有效利用率相對低等缺點(diǎn)。電鍍金錫共晶更為便捷，但操作工具成本高，難以達(dá)到統(tǒng)一的電鍍操作標(biāo)準(zhǔn)，而且電鍍速度較慢。

原輝[7]針對背面不含任何金屬或只鍍了一層金的硅芯片，提出金-硅共晶焊工藝是一種有效且可靠的方式，金-硅共熔相圖如圖4所示。

圖4 金-硅共熔相圖[7]Fig.4 Gold-silicon eutectic phase diagram [7]

將3.24%的硅和96.76%的金熔合，制作了熔點(diǎn)為363 ℃的共晶合金體。金-硅共晶焊接的熱阻較小，物理性能良好、穩(wěn)定性好、可靠性高和雜質(zhì)少等一系列優(yōu)點(diǎn)，但也存在著歐姆接觸不良和熱應(yīng)力失效的情況。在金-硅共晶焊接工藝實(shí)施中，必須保持惰性氣氛以避免芯片背面氧化，保存芯片也應(yīng)注意環(huán)境的溫度和濕度；載體鍍金層的厚薄、致密程度、耐焊高溫也會(huì)對共晶焊接的可靠性造成影響，通常致密鍍金層要達(dá)到2 μm以上，焊接溫度設(shè)置為400～500 ℃才能使焊接達(dá)到理想效果。在應(yīng)對熱應(yīng)力失效方面，提出焊接前預(yù)先以200 ℃的加熱載體和機(jī)械臂拾取芯片的吸頭，這樣可以減小熱沖擊，焊接后的冷卻則可以選用N2作為保護(hù)氣氛使之緩慢冷卻，這樣也能消除一部分應(yīng)力[1]。

1.2 有鉛焊料

盡管無鉛焊料已經(jīng)成為了時(shí)代風(fēng)潮，但傳統(tǒng)錫鉛焊料相比無鉛焊料，在可焊性、潤濕鋪展性及可靠性等方面表現(xiàn)更優(yōu)異，因此依然能在特殊產(chǎn)品上得到長期應(yīng)用[15]。尹娜等[16]采用錫鉛共晶焊料(Sn63Pb37)對Au60AgCu合金進(jìn)行釬焊試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)焊接處合金的硬度非常高，容易發(fā)生斷裂。Balkan等[17]驗(yàn)證了用于倒裝芯片凸點(diǎn)的三元Sn/Ag/Cu合金的可靠性，通過對凸點(diǎn)和凸點(diǎn)下金屬化進(jìn)行熱循環(huán)、高溫存儲(chǔ)和模切測試，驗(yàn)證了凸點(diǎn)的可靠性。還介紹了電遷移，多次回流和裸片高溫測試結(jié)果，這些結(jié)果證明了凸點(diǎn)下金屬化(under bumping metallurgy，UBM)的堅(jiān)固性。徐幸等[15]研究在極端環(huán)境溫度(-196～25 ℃)下錫鉛共晶焊點(diǎn)的可靠性，首先對錫鉛共晶焊料樣品進(jìn)行了極端環(huán)境溫度沖擊測試，然后參照標(biāo)準(zhǔn)IPC-TM-650 2.4.21，進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)及分析，發(fā)現(xiàn)錫鉛共晶焊點(diǎn)的拉伸強(qiáng)度在經(jīng)過沖擊試驗(yàn)后略有降低。

由于高密度微電子封裝的小型化趨勢和功能需求，倒裝芯片焊點(diǎn)中的熱遷移成為影響共晶焊點(diǎn)可靠性的一個(gè)重要因素。針對這一問題，Tao等[18]利用能產(chǎn)生溫度梯度的設(shè)備對樣品中的焊點(diǎn)進(jìn)行了與電遷移行為分離的熱遷移實(shí)驗(yàn)。在樣品的共晶錫鉛焊料層上施加高于 2 000 ℃/cm的恒定溫度梯度，負(fù)載持續(xù)時(shí)間分別為20、40和80 h。結(jié)果表明，在共晶的錫鉛焊料層中，從熱側(cè)到冷側(cè)發(fā)生了明顯的質(zhì)量擴(kuò)散，并且在較高的溫度梯度下，鉛是主要的擴(kuò)散元素。隨著溫度梯度加載時(shí)間從20 h增加到80 h，鉛遷移到冷側(cè)的現(xiàn)象變得更加嚴(yán)重。由于鉛和錫元素的重新分布，與回流狀態(tài)的焊料層相比，介面金屬共化物(intermetallic compound，IMC)在熱側(cè)和冷側(cè)的形態(tài)和厚度均發(fā)生明顯變化。同時(shí)，通過拉伸試驗(yàn)證實(shí)了隨著時(shí)間和熱遷移載荷的逐漸增加，共晶錫鉛焊料層的機(jī)械強(qiáng)度逐漸變?nèi)酰@可能是由于質(zhì)量擴(kuò)散導(dǎo)致的焊料中存在的缺陷。

2 共晶焊接技術(shù)

在傳統(tǒng)的共晶工藝流程中，需要根據(jù)不同合金焊料的溫度梯度來分次焊接，花費(fèi)時(shí)間較長，效率較低[19]。且共晶環(huán)境無法實(shí)現(xiàn)真正的密封保護(hù)氣氛，因此，共晶的時(shí)間掌握不好就會(huì)致使焊料分布不均勻，氧化速度加快，空洞率變高，降低導(dǎo)熱性能[20]。如果自動(dòng)共晶設(shè)備能控制工藝氣氛，則能有效減少焊接時(shí)出現(xiàn)的氧化物，降低焊接面的空洞率，提高共晶質(zhì)量。真空共晶爐在實(shí)際工作中加熱面積較大，而且可以利用特殊配備的夾具來裝夾和定位，這樣減小了人為誤差，只需一次共晶就能達(dá)到多種產(chǎn)品和元件成型的效果，因此極大地提高了焊接效率，在量產(chǎn)時(shí)能節(jié)省人力成本和物料費(fèi)用。

龐婷等[21]利用含有2個(gè)電路片和1個(gè)功率管芯的模塊產(chǎn)品作為試驗(yàn)樣品，具有較高強(qiáng)度、熱導(dǎo)率和彈性模量的金錫合金條Au80Sn20作為焊條，進(jìn)行了“篩選——清洗——對位裝夾——參數(shù)設(shè)置——共晶——顯微目檢——X射線檢測”一系列真空焊接試驗(yàn)，并通過典型工藝曲線，發(fā)現(xiàn)了影響共晶質(zhì)量的主要因素有：焊接保護(hù)氣氛、焊接溫度、焊接保溫時(shí)間和焊接壓力，結(jié)果如圖5所示。

圖5 典型工藝曲線[21]Fig.5 Typical process curve [21]

通過控制這幾個(gè)因素，可以有效利用真空共晶焊接技術(shù)進(jìn)行大規(guī)模批量生產(chǎn)。但由于試驗(yàn)樣本數(shù)量不足，沒有得出相應(yīng)的參數(shù)曲線，若想將試驗(yàn)轉(zhuǎn)為量產(chǎn)，還應(yīng)進(jìn)行深入研究，把樣本數(shù)量繼續(xù)增加，并進(jìn)行工藝實(shí)驗(yàn)優(yōu)化相關(guān)參數(shù)，以此得到更加穩(wěn)定且合適的工藝流程。

傳統(tǒng)的共晶方法主要是在惰性氣體氛圍的保護(hù)下，利用機(jī)械臂的機(jī)械震動(dòng)使鑷子拾取的芯片與基板進(jìn)行快速摩擦，排除掉芯片與共晶點(diǎn)焊料中的雜質(zhì)和氣泡，由此實(shí)現(xiàn)低空洞共晶焊接[21]。但是對新產(chǎn)品的出現(xiàn)(如大面積陶瓷片共晶、GaAs芯片)和產(chǎn)能需求，傳統(tǒng)的共晶焊接技術(shù)并不適用。王輝等[19]以某功放模塊為例，研究了更適用于厚度薄、體積小的芯片，且易于操作的多芯片真空共晶焊接工裝夾具的設(shè)計(jì)方法。他采用一個(gè)類似“鍋蓋”的金屬壓塊設(shè)計(jì)，共晶焊料選用Au80Sn20，共晶時(shí)用壓塊覆蓋住芯片，配合設(shè)計(jì)好的限位夾具，可以實(shí)現(xiàn)脫離顯微鏡裝夾，因此提高了裝夾效率。在共晶完成的器件進(jìn)行X光照射時(shí)發(fā)現(xiàn)基板底部空洞率小于10%，芯片底部空洞率小于5%，芯片和基板的裝配精準(zhǔn)度在±50 μm范圍內(nèi)。

圖6 焊接曲線示意圖[22]Fig.6 Schematic diagram of welding curve [22]

針對GaAs基材的小尺寸芯片共晶焊接，賈耀平[22]設(shè)計(jì)了一種新的真空共晶焊接工藝。選用Au80Sn20焊料，焊接溫度290～305 ℃，通過幾個(gè)熔融時(shí)間節(jié)點(diǎn)和焊接材料的剪切強(qiáng)度來確定合適的焊料層厚度和熔融狀態(tài)時(shí)間范圍，共晶的整個(gè)過程都處于高純度氮?dú)夥毡Ｗo(hù)中，當(dāng)熔融達(dá)到最高焊接溫度后抽真空，焊接完成后快速冷卻。

在焊接曲線的設(shè)計(jì)上，胡文剛[23]設(shè)置了升溫區(qū)、保溫區(qū)、焊接區(qū)和冷卻區(qū)4個(gè)區(qū)域，并通過一系列手段優(yōu)化了焊接曲線。據(jù)高能武等[24]所述，在焊接過程中，決定焊接空洞焊大小的關(guān)鍵因素還包括焊接表面的鍍層狀態(tài)及機(jī)械臂對芯片施加的壓力大小等。賈耀平[22]在降低空洞率方面做了焊接壓力試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)對芯片施加 0.3～2 kPa范圍內(nèi)的壓力時(shí)，空洞率程度較低，焊料不會(huì)從芯片邊緣大量溢出，焊接的效果較好。

在進(jìn)行真空共晶焊接時(shí)，芯片的材質(zhì)和鍍層的厚度不同也會(huì)使得焊料的選用標(biāo)準(zhǔn)不同?；糇魄俚萚25]在共晶焊料的選用上給出了一些參考意見：選擇無鉛焊料時(shí)，應(yīng)盡可能選用熔點(diǎn)更低、機(jī)械強(qiáng)度高、化學(xué)性能穩(wěn)定的無鉛焊料。在共晶焊接時(shí)的真空度和保護(hù)氣氛方面，通常使共晶焊接時(shí)的真空度為 5～10 Pa，但對于那些要求度更高的電子器件來說，真空度要求往往更高，能達(dá)到5×10-2～5×10-3Pa甚至更高。對于體積相對較大、同時(shí)對空洞率要求不高的器件，則可以用氮?dú)夥諊M(jìn)行焊接；將真空爐循環(huán)“抽真空—充氮?dú)狻边@一過程幾次后，可以使真空室內(nèi)達(dá)到較高的氮?dú)鉂舛取Ｈ绻噶虾?，則可以采用甲酸氣氛保護(hù)焊，焊接時(shí)控制甲酸進(jìn)氣量，同時(shí)控制抽出氣體的速度，使真空度保持在 2 000 Pa，這樣就可以有效地還原氧化物。設(shè)置共晶焊接溫度曲線時(shí)，在第1段升溫曲線后平穩(wěn)的T2溫度要比共晶溫度低 30 ℃左右；第2段保溫曲線后的T3溫度要比共晶溫度高30～50 ℃。按照以上參考操作，能有效提高真空共晶焊接的質(zhì)量。

針對高可靠薄膜基板芯片共晶焊工藝應(yīng)用的需求，巫建華[8]選用Ti/Ni/Au膜系和金錫焊料，在真空環(huán)境下充入氮、氫氣體進(jìn)行薄膜基板芯片共晶焊接，研究了真空環(huán)境、焊接金屬化膜層、焊接壓力等因素對焊接可靠性的影響，并且在此基礎(chǔ)上優(yōu)化了各工藝參數(shù)，改善了焊接效果。通過研究后發(fā)現(xiàn)當(dāng)焊接基板金屬化膜層的厚度為1.5 μm，焊接壓力為2 kPa，焊接溫度330 ℃，時(shí)間保持30 s時(shí)可有效降低空洞面積。在進(jìn)行高溫老化和冷熱沖擊等可靠性試驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)共晶焊接器件的剪切強(qiáng)度可以達(dá)到GJB548B-2005的標(biāo)準(zhǔn)，接觸電阻變化比值不高于5%。

近年來芯片級尺寸封裝(chip scale package,CSP)LED橫空出世，并以優(yōu)異的性能，超低的生產(chǎn)成本，小巧的外形獲得業(yè)界的廣泛認(rèn)可，并一度被認(rèn)為是當(dāng)前最有發(fā)展前景的LED器件[26]。CSP是指封裝體尺寸不超過芯片尺寸的120%，且功能保持完整的封裝元件[27-30]。CSP LED有很多優(yōu)點(diǎn)，比如單個(gè)器件封裝過程簡單，封裝后的元件尺寸小、靈活性高，而且盡可能地把物料成本降到了最低。由于CSP LED封裝技術(shù)的封裝體積變小，封裝技術(shù)工藝也面臨著更加精細(xì)化的挑戰(zhàn)，特別是LED作為光學(xué)器件，其光學(xué)靈敏度要求很高，光轉(zhuǎn)換層的均勻性是能否得到均勻發(fā)光器件的前提，同時(shí)保證封裝器件良好的可靠性也是一大挑戰(zhàn)，針對CSP封裝的焊點(diǎn)可靠性影響研究，Hirano等[31]并不滿足于對印刷線路板表面處理的焊料合金成分進(jìn)行評價(jià)，采用了CSP封裝的LED作為樣件進(jìn)行熱疲勞測試和機(jī)械疲勞測試。選擇焊料材料(Sn-Ag-Cu，Sn-Ag-Cu-Bi，Sn-Zn-Bi，Sn-Pb)，設(shè)置CSP放置條件，印刷線路板的表面光潔度(有機(jī)可焊性保護(hù)層)。得出CSP組件放置條件，印刷線路板的表面光潔度對無鉛焊點(diǎn)可靠性的影響要大于焊料的結(jié)論。

Li等[32]研究了直接焊接(direct welding，DW)和真空焊接(vacuum furnace welding,VFW)對FC-LED芯片發(fā)光二極管性能不同的影響。通過剪切力測試、SEM測試、穩(wěn)態(tài)電壓測試、穩(wěn)態(tài)光通量和光電變化隨老化時(shí)間變化的性能測試等試驗(yàn)，得出了2種焊接方法的性能差異。剪切試驗(yàn)表明，平均剪切力為VFW組高于DW組，但2組均符合標(biāo)準(zhǔn)。此外，根據(jù)SEM測試結(jié)果顯示VFW組斷層的微觀結(jié)構(gòu)更光滑，孔隙也明顯變得越來越少。穩(wěn)態(tài)電壓和光通量的測試結(jié)果表明，VFW組具有更高的集中電壓和更高的光通量。老化數(shù)據(jù)顯示兩組的穩(wěn)態(tài)電壓變化率沒有太大差異，VFW組的光通量保持率高于DW組，但全部都在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。最后得出結(jié)論：當(dāng)實(shí)際應(yīng)用對燈絲有更高要求時(shí)，例如燈絲是串聯(lián)還是并聯(lián)連接，需要更高的光通量，可以使用真空爐焊接。如果考慮生產(chǎn)效率并且不需要高性能的燈絲，可以使用直接焊接的方法。

3 共晶焊接可靠性研究

上述學(xué)者側(cè)重于尋找更優(yōu)的共晶焊料和研發(fā)更先進(jìn)的共晶焊接技術(shù)，而另一批學(xué)者專注于進(jìn)行可靠性研究?？煽啃匝芯坑形锢韺?shí)驗(yàn)研究與數(shù)據(jù)模型研究，目前共晶焊接可靠性研究的物理實(shí)驗(yàn)流程，如圖7所示。

圖7 共晶焊接可靠性研究流程Fig.7 Process of eutectic welding reliability research

Roh等[33]以銅鋅基板和Sn-4.0Ag-0.5 Cu焊球，研究了SAC焊球與銅鋅合金焊盤之間的焊層形成和焊點(diǎn)的可靠性。發(fā)現(xiàn)焊接后，SAC/Cu界面處形成了帶空隙的雙層結(jié)構(gòu)。在進(jìn)行老化和剪切測試后發(fā)現(xiàn)SAC/Cu和SAC/Cu-Zn的斷裂主要發(fā)生在焊料中，并且剪切強(qiáng)度值隨老化時(shí)間的增加而降低。在老化過程中，SAC焊料在銅基板上的剪切強(qiáng)度低于SAC焊料在銅鋅基板上的剪切強(qiáng)度。

由于不同材料之間的熱膨脹系數(shù)(coefficient of thermal expansion，CTE)不匹配，微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system，MEMS)傳感器的焊料中在回流焊接過程中會(huì)形成熱應(yīng)力。由于封裝需要充氣密封以保護(hù)器件免受外界環(huán)境的影響，因此局部應(yīng)力集中，導(dǎo)致焊料中出現(xiàn)裂紋并影響密封性。Zhang等[34]使用Comsol Multiphysics對帶有低溫共燒陶瓷(low temperature co-fired ceramic，LTCC)封裝的AuSn90焊料進(jìn)行了熱機(jī)械分析，模擬了回流焊接過程后焊料中的熱殘余應(yīng)力分布。根據(jù)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)了最大的馮·米塞斯應(yīng)力，并討論了使焊料中的應(yīng)力最小化和提高熱機(jī)械可靠性的幾種可能方法。

PbSnAg焊料被廣泛用于大功率芯片封裝的芯片固定中，PbSnAg焊料層的熱機(jī)械可靠性是評估高功率器件封裝質(zhì)量的關(guān)鍵因素。Xie等[35]利用有限元模擬方法來預(yù)測在加速溫度循環(huán)條件下Pb92.5Sn5Ag2.5焊點(diǎn)對芯片附著的可靠性。用Anand的粘塑性本構(gòu)方程描述了焊料在加速溫度循環(huán)下的行為，并用R. Darveaux的體積平均能量方法研究了疲勞壽命預(yù)測。通過建立3個(gè)有限元模型(2D平面模型，3D切片模型和3D的1/4模型)以驗(yàn)證結(jié)果，最終表明，在焊料層的邊緣發(fā)現(xiàn)了最大的塑性應(yīng)力，這是導(dǎo)致共晶界面出現(xiàn)初始裂紋損壞的一個(gè)原因。隨著溫度循環(huán)的增加，裂紋位置的應(yīng)力曲線呈穩(wěn)定趨勢。隨著芯片尺寸的增加，在危險(xiǎn)位置的最大塑性應(yīng)力和應(yīng)變會(huì)增加，可能會(huì)導(dǎo)致芯片固定的可靠性下降。

4 結(jié) 語

共晶焊接工藝以其高可靠性和優(yōu)異的性能被越來越多的LED生產(chǎn)廠商所重視，但共晶焊接技術(shù)對設(shè)備要求較高，真空共晶焊接設(shè)備成本也較高，如何降本增效，使共晶焊接技術(shù)能應(yīng)用到大規(guī)模量產(chǎn)還需深入研究。無鉛化浪潮風(fēng)靡全球，無鉛焊料也將成為重要的研究對象，如何克服無鉛焊料的缺點(diǎn)，使無鉛焊料能達(dá)到甚至優(yōu)于有鉛焊料的浸潤性、低熔點(diǎn)和金屬溶解速度，也是未來發(fā)展方向。LED照明市場規(guī)模日益壯大，可以預(yù)料到LED共晶焊接行業(yè)也必將飛速發(fā)展。