真空共晶爐的改進(jìn)與提升

霍灼琴，馬海亮，張永聰

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原030024)

隨著微波混合集成電路向著高性能、高可靠、小型化、高均勻性及低成本方向的發(fā)展，對(duì)芯片焊接工藝的要求越來越高，這對(duì)實(shí)現(xiàn)芯片焊接工藝的設(shè)備也提出了越來越高的要求[1]。真空共晶爐作為實(shí)現(xiàn)芯片共晶焊接工藝必須的設(shè)備，其性能指標(biāo)對(duì)共晶工藝焊接的質(zhì)量及生產(chǎn)效率有很大影響，尤其是真空共晶爐的溫度均勻性及生產(chǎn)效率，針對(duì)此要求，我們對(duì)原有真空共晶爐的溫度均勻性及冷卻速率進(jìn)行了改進(jìn)提升。

1 真空共晶爐

真空共晶爐是微電子行業(yè)利用共晶原理在真空或保護(hù)氣氛下進(jìn)行焊接的關(guān)鍵性設(shè)備?？筛鶕?jù)焊接對(duì)象的共晶特點(diǎn)，設(shè)定工藝曲線，在惰性氣體或真空環(huán)境中，加熱達(dá)到共晶的溫度，保持一段時(shí)間后充氣冷卻，達(dá)到共晶焊接的目的。真空共晶爐可精確控制爐腔內(nèi)的共晶環(huán)境，包括溫度、真空度、充氣氣體流量和時(shí)間等。精確的工藝環(huán)境控制和使用的安全性使得真空共晶爐成為共晶焊接的理想設(shè)備[2]。溫度均勻性和冷卻速率的提升是設(shè)備性能提升的關(guān)鍵。

2 溫度均勻性提升

真空共晶爐加熱方式是采用石英燈紅外加熱器輻射加熱，因?yàn)榧t外線輻射加熱具有穿透力，可內(nèi)外同時(shí)加熱，升溫迅速，熱滯后小，熱交換速率快。紅外線照射到被加熱的物體時(shí)，一部分射線被反射回來，一部分射線被穿透過去。而這部分被穿透過去的紅外線，是因?yàn)樵摬糠旨t外線波長(zhǎng)和被加熱物體的吸收波長(zhǎng)一致，從而使被加熱的物體吸收這部分紅外線熱能，這時(shí)，被加熱物體內(nèi)部分子和原子發(fā)生“共振”，產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，而這些強(qiáng)烈的振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)等不規(guī)則運(yùn)動(dòng)使被加熱物體溫度升高，達(dá)到了加熱的目的。利用此加熱方式，重要的是紅外線波長(zhǎng)與被加熱物體波長(zhǎng)的匹配，即當(dāng)照射到物體上的紅外線頻率與組成該物體的物質(zhì)分子振動(dòng)頻率相同時(shí)，分子就會(huì)對(duì)紅外輻射能量產(chǎn)生共振吸收，同時(shí)通過分子間能量的傳遞，使分子內(nèi)能（振動(dòng)能及轉(zhuǎn)動(dòng)能）增加，也就是分子平均動(dòng)能增加，表現(xiàn)為物體溫度升高。影響真空共晶爐溫度均勻性的因素有很多，主要包括爐腔內(nèi)石英燈紅外加熱器之間的排布、單支石英燈紅外加熱器的功率分布、石英燈紅外加熱器與被加熱物體之間的距離、被加熱物體吸收波長(zhǎng)的特性等。

改進(jìn)前的真空共晶爐采用爐腔內(nèi)等間距分布的12根等功率的石英燈紅外加熱器加熱，然后將熱量輻射至形狀規(guī)則、材質(zhì)均勻的石墨加熱板上以實(shí)現(xiàn)對(duì)器件的加熱，該方式能夠?qū)崿F(xiàn)的板面溫度均勻性為±5℃。通過對(duì)爐腔內(nèi)熱場(chǎng)進(jìn)行模擬分析，對(duì)爐腔內(nèi)石英燈紅外加熱器安裝位置重新排布，對(duì)單根石英燈紅外加熱器加熱功率分布進(jìn)行優(yōu)化并選擇新型復(fù)合材料AlSiC作為被加熱物體，從而將整個(gè)板面溫度均勻性提高至±2℃。

2.1 爐腔內(nèi)熱場(chǎng)模擬分析

2.1.1 熱設(shè)計(jì)條件

在熱仿真中，模型的大小及細(xì)化程度會(huì)直接影響網(wǎng)格數(shù)量的多少，進(jìn)而影響計(jì)算資源及計(jì)算時(shí)間。因此，需要將散熱性能影響較小的部件、工藝結(jié)構(gòu)等簡(jiǎn)化。簡(jiǎn)化后的模型如圖1所示。

圖1 爐腔仿真模型

模型建立的邊界條件：

●環(huán)境溫度：25℃；

●氣壓：1 kPa；

●自然散熱；

●燈管的平均功率：150 W（通過工作板的需求溫度得出）；

●分析類型：穩(wěn)態(tài)；

●湍流類型：層流；

●輻射：開。

2.1.2 熱設(shè)計(jì)方案

本節(jié)主要針對(duì)被加熱板熱導(dǎo)率和石英燈紅外加熱器功率進(jìn)行熱仿真分析。

2.1.2.1 被加熱板的熱導(dǎo)率

影響散熱性能的主要因素為材料的物性參數(shù)及散熱面積。散熱面積的更改涉及被加熱板結(jié)構(gòu)的更改，被加熱板結(jié)構(gòu)暫不做更改。因此，本節(jié)僅討論物性參數(shù)對(duì)散熱性能的影響。在自然散熱中，熱導(dǎo)率是影響散熱性能的關(guān)鍵因素。

通過單一變量分析，設(shè)置不同梯度的熱導(dǎo)率進(jìn)行分析。熱導(dǎo)率設(shè)置如表1所示。

表1 熱導(dǎo)率

為了直觀的比較工作板溫度的分布情況，將云圖的溫度標(biāo)尺設(shè)為一致，均為290～300℃，熱導(dǎo)率仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同熱導(dǎo)率溫度云圖

通過仿真結(jié)果可知，不同熱導(dǎo)率對(duì)被加熱板溫度均勻性的影響較大。根據(jù)仿真結(jié)果，選用了熱導(dǎo)率較高的AlSiC，它是一種顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，采用Al合金作基體，按設(shè)計(jì)要求，以一定形式、比例和分布狀態(tài)，用SiC顆粒作增強(qiáng)體，構(gòu)成有明顯界面的多組相復(fù)合材料，兼具單一金屬不具備的綜合優(yōu)越性能，AlSiC具有高導(dǎo)熱率和可調(diào)的熱膨脹系數(shù)，一方面AlSiC的熱膨脹系數(shù)與半導(dǎo)體芯片和陶瓷基片實(shí)現(xiàn)良好的匹配，能夠防止疲勞時(shí)效的產(chǎn)生，甚至可以將功率芯片直接安裝到AlSiC基板上，另一方面AlSiC的熱導(dǎo)率是一般封裝材料的十倍，芯片產(chǎn)生的熱量可以及時(shí)散發(fā)。這樣，整個(gè)元器件的可靠性和穩(wěn)定性大大提高。

2.1.2.2 石英燈紅外加熱器

石英燈紅外加熱器作為熱源，為了更好地將加熱器輻射的能量傳導(dǎo)和聚焦在被加熱材料上，在石英燈紅外加熱器底部添加鍍金反射層，可以反射90%以上的紅外射線。再結(jié)合功率梯度分布及間距排列，即可改善熱板的均勻性。以石英燈紅外加熱器的間距一致為前提，從功率梯度角度進(jìn)行分析。為了單一變量分析，保持紅外加熱器的總功率為定值（12×150 W=1800 W）。

通過仿真結(jié)果可知，溫度分布近似呈現(xiàn)左右對(duì)稱的形式。因此，紅外加熱器的分布亦成對(duì)稱形式，其分布如圖3所示。紅外加熱器功率的分布如表2所示。熱仿真結(jié)果如圖4所示。

圖3 石英燈紅外加熱器分布

表2 功率設(shè)置

圖4 不同功率紅外加熱器溫度云圖

通過仿真結(jié)果可知，隨著功率梯度的增大，工作板中心溫度越低，整個(gè)板面溫度均勻性越好。根據(jù)仿真結(jié)果，將爐腔內(nèi)石英燈紅外加熱器重新進(jìn)行分布，從而有效地改善整個(gè)板面的溫度均勻性。

3 真空共晶爐冷卻速率的提升

原設(shè)備的冷卻進(jìn)氣管路是通過爐體底部一路氣體實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)品焊接完成后打開電磁截止閥通入氮?dú)鈱?duì)腔體內(nèi)石墨板進(jìn)行降溫冷卻，但是當(dāng)腔體一直處于工作狀態(tài)時(shí)，腔體內(nèi)溫度持續(xù)處于高溫狀態(tài)，一路氣體冷卻速率較為緩慢，從而影響產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。通過對(duì)設(shè)備冷卻氣體進(jìn)氣管路進(jìn)行改進(jìn)，在爐體底部冷卻氣體進(jìn)氣口增設(shè)為5路，使得冷卻氣體與加熱板接觸面積更大，從而更好地達(dá)到冷卻的效果。同時(shí)，在爐體兩側(cè)增加水冷條，優(yōu)化現(xiàn)有冷卻氮?dú)鈿饴?，大幅度提高冷卻速率，從而提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。

4 真空共晶爐改進(jìn)后的測(cè)試結(jié)果

真空共晶爐改進(jìn)后，用溫度記錄儀同時(shí)采集被加熱板上5點(diǎn)，對(duì)溫度均勻性和冷卻速率進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表3、表4所示。

表3 溫度均勻性測(cè)試結(jié)果

表4 冷卻速率測(cè)試結(jié)果

從測(cè)試結(jié)果可以看出，真空共晶爐改進(jìn)后溫度均勻性由原來的±5℃提升為±2℃，平均冷卻速率由原來的10℃/min提升為20℃/min以上。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了真空共晶爐及其如何提高設(shè)備溫度均勻性與冷卻速率的方法，并對(duì)改進(jìn)后的設(shè)備進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果滿足設(shè)計(jì)的要求，溫度均勻性更高，冷卻速率更快，為客戶提供了更好的工藝環(huán)境，有效地提高了生產(chǎn)效率。