LTCC基板與高硅鋁合金大面積焊接工藝參數(shù)優(yōu)化

張 怡，唐勇剛，王天石，馬曉琳

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所，四川 成都 610036)

0 引言

隨著電子設(shè)備小型化、集成化的需求，基于低溫共燒陶瓷(LTCC)電路基板的多通道T/R組件的需求量越來(lái)越多。LTCC組件必須和封裝載體進(jìn)行組裝，封裝載體起著機(jī)械支撐、散熱通道、接地性能、保護(hù)芯片和基板等重要作用[1]。

近年來(lái)出現(xiàn)的高硅鋁合金是一種綜合性能優(yōu)異的電子封裝材料。由于高硅鋁合金既具備與普通鋁合金相當(dāng)?shù)牡兔芏?，又擁有與可伐合金類似的導(dǎo)熱率，以及與LTCC基板相匹配的膨脹系數(shù)，滿足新一代微波產(chǎn)品輕量化、高功率和高可靠性的要求，因此已廣泛應(yīng)用于LTCC基板的封裝[2-4]。

在具有高可靠性要求的微波組件制造過(guò)程中，LTCC基板與高硅鋁合金封裝載體需采用釬焊方式進(jìn)行互聯(lián)，其互聯(lián)質(zhì)量成為影響微波組件可靠性的關(guān)鍵因素之一。隨著微波組件向高集成度發(fā)展，一個(gè)封裝組件上的通道數(shù)量越來(lái)越多，如12通道、16通道、24通道。這種組件結(jié)構(gòu)帶來(lái)的問(wèn)題是封裝載體上需要與LTCC基板進(jìn)行大面積焊接，焊接面積均為數(shù)十平方厘米，這對(duì)焊接界面的空洞率控制和焊接強(qiáng)度保證提出了巨大挑戰(zhàn)。

近年來(lái)，LTCC與封裝載體的焊接領(lǐng)域已備受關(guān)注。嚴(yán)蓉等[5]對(duì)低溫共燒陶瓷基板共燒焊盤可焊接性進(jìn)行了研究，提出通過(guò)降低最高燒結(jié)溫度的方法消除共燒焊盤表面玻璃相，提高焊盤可焊性；李俊等[6]分析了LTCC基板可焊性差的原因，并從LTCC基板制造關(guān)鍵工序著手，提出了優(yōu)化基板可焊性的解決措施；郝新鋒等[7]研究了LTCC基板可焊性、平面度，并定性分析了回流焊接工藝因素對(duì)LTCC 基板釬透率的影響規(guī)律；鄭丹等[8]以降低LTCC基板第一主應(yīng)力為優(yōu)化目標(biāo)，采用正交試驗(yàn)法得到優(yōu)化的焊接冷卻工藝參數(shù)，提高了LTCC 基板的焊接質(zhì)量；Cheng Chen等[9]研究了一種實(shí)用的基于LTCC基板的射頻SiP模塊，探索了熱回流焊工藝的可靠性、二級(jí)焊點(diǎn)的工作狀態(tài)和疲勞性能；Chuan Liangwei等[10]建立了金屬載體與LTCC基板真空共晶釬焊的數(shù)值模擬分析模型，討論了壓力、鍍層厚度和冷卻速度對(duì)焊接殘余應(yīng)力的影響；岳帥旗等[11]、董東等[12]分析了LTCC基板上焊球失效模式影響因素并優(yōu)化了相關(guān)的焊接結(jié)構(gòu)。

目前業(yè)內(nèi)較多的研究集中在LTCC焊盤的釬焊機(jī)理上，關(guān)于LTCC與載體的焊接工藝參數(shù)研究較少，對(duì)焊接參數(shù)的分析不夠深入。關(guān)于LTCC基板與高硅鋁合金新型封裝載體大面積錫鉛焊接的工藝參數(shù)與焊接強(qiáng)度關(guān)系的研究報(bào)道較少，且對(duì)焊接工藝參數(shù)的合理設(shè)置缺乏理論依據(jù)和評(píng)價(jià)手段，因此亟待開展相關(guān)研究。本文深入研究了LTCC基板與高硅鋁合金大面積焊接的工藝參數(shù)與焊接可靠性的關(guān)系，并對(duì)焊接工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了釬焊后界面強(qiáng)度的預(yù)測(cè)和顯著提升。

1 試驗(yàn)方法和試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)方法

LTCC基板材料為市售FERRO A6M，層數(shù)為18層，厚度為3 mm，底面焊盤為Au/Pt/Pd。封裝載體材料為高硅鋁合金CE11，硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%，載體厚度為5 mm，表面鍍覆Ni/Au復(fù)合鍍層，焊料選用Sn63Pb37合金焊片。LTCC基板、封裝載體的形態(tài)如圖1所示，焊接面積為100 mm×50 mm，試驗(yàn)設(shè)備為熱風(fēng)回流焊接爐。

圖1 焊接樣件形貌

樣件釬焊后的釬焊強(qiáng)度測(cè)試方法參考GJB 548B-2005中的“芯片剪切強(qiáng)度”，用釬焊接頭的剪切強(qiáng)度表征釬焊強(qiáng)度。設(shè)計(jì)制造了專用測(cè)試夾具，試驗(yàn)過(guò)程采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行剪切力測(cè)試。試驗(yàn)過(guò)程中夾具和樣件的形貌如圖2所示。

圖2 焊接試驗(yàn)中夾具和樣件形貌

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

回流焊接溫度曲線一般分為預(yù)熱、保溫、回流、冷卻4個(gè)階段。典型的Sn63Pb37焊料的回流焊接曲線如圖3所示[13-14]，其中183 ℃為Sn63Pb37焊料的熔點(diǎn)溫度。

圖3 典型的回流焊曲線

預(yù)熱階段是將待焊器件從周圍環(huán)境溫度提升到助焊劑所需的活性溫度。保溫階段主要目的是保證全部待焊部件在進(jìn)入焊接前能達(dá)到相同的溫度，盡量減少溫差?；亓麟A段又稱焊接段，該階段溫度始終處于焊料球的熔點(diǎn)之上，焊料球開始熔化，流動(dòng)擴(kuò)展，并與焊盤發(fā)生界面反應(yīng)，其中峰值溫度與焊料熔點(diǎn)以上的回流時(shí)間會(huì)對(duì)介面合金共化物(IMC)的形成和生長(zhǎng)產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響焊點(diǎn)強(qiáng)度和可靠性。冷卻段是焊點(diǎn)的成形階段，冷卻階段的主要目的是在焊點(diǎn)凝固的同時(shí)細(xì)化晶粒，抑制金屬間化合物的增長(zhǎng)。冷卻速率對(duì)焊點(diǎn)的強(qiáng)度有著重要影響，冷卻速率不當(dāng)，會(huì)影響焊點(diǎn)的外形、接觸角度，并導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)變形，進(jìn)而影響焊接界面的強(qiáng)度[15-17]。

基于上述焊接理論，并結(jié)合業(yè)內(nèi)學(xué)者的研究成果，可認(rèn)為焊接液相線上的時(shí)間、焊接峰值溫度和焊接降溫速率是影響焊接強(qiáng)度的關(guān)鍵因子。由于本研究中LTCC基板與高硅鋁合金焊接尺寸較大，為了減小冷卻過(guò)程中LTCC基板的變形，故采用兩段法進(jìn)行冷卻，即先以相對(duì)較緩的固定速率由183 ℃降到140 ℃，再?gòu)?40 ℃迅速降到室溫。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，當(dāng)183～140 ℃降溫速率為確定值時(shí)，140 ℃～室溫的降溫速率波動(dòng)不會(huì)影響焊接強(qiáng)度。因此，本研究最終選定影響焊接強(qiáng)度的因子為焊接液相線上的時(shí)間、焊接峰值溫度及183～140 ℃焊接降溫速率，并運(yùn)用科學(xué)的理論進(jìn)行了試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

根據(jù)實(shí)際回流焊接設(shè)備參數(shù)范圍約束，試驗(yàn)因子的取值范圍如表1所示。

表1 Sn63Pb37焊料對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)因子及其取值范圍

Sn63Pb37焊料焊接設(shè)備為熱風(fēng)回流爐，各溫區(qū)進(jìn)行調(diào)整時(shí)會(huì)相互影響，因此需要在試驗(yàn)因子范圍內(nèi)驗(yàn)證可能需要用到的試驗(yàn)組合是否能夠?qū)崿F(xiàn)，即需要探究設(shè)備能力。通過(guò)設(shè)備參數(shù)摸底發(fā)現(xiàn)，不能調(diào)整出峰值溫度較高液相線上過(guò)短的溫度曲線。因此，需要對(duì)試驗(yàn)組合進(jìn)行調(diào)整，以滿足設(shè)備能力和達(dá)到工藝優(yōu)化的目的。此外，曲線調(diào)整時(shí)間成本很高，所以要盡量減少試驗(yàn)次數(shù)。試驗(yàn)方案的提出需要考慮：

1) 試驗(yàn)組合需滿足設(shè)備能力，即試驗(yàn)組合能在設(shè)備中得以實(shí)現(xiàn)。

2) 試驗(yàn)的經(jīng)濟(jì)成本和時(shí)間成本過(guò)高，所以需盡量減少試驗(yàn)次數(shù)。

3) 最優(yōu)點(diǎn)的尋找需建立二次回歸模型，由于三因子的擬合回歸全模型形式為

(1)

式(1)中有9個(gè)非常數(shù)項(xiàng)的系數(shù)需要確定，故試驗(yàn)次數(shù)不得少于9組。

4) 試驗(yàn)設(shè)計(jì)具有或近似具有旋轉(zhuǎn)性，即試驗(yàn)因子取值需盡量滿足對(duì)稱性，同時(shí)使各試驗(yàn)因子在取值范圍內(nèi)盡量均勻。

調(diào)整各溫區(qū)參數(shù)，使其滿足試驗(yàn)組合。在焊接設(shè)備能力滿足的前提下，能夠?qū)崿F(xiàn)的最終試驗(yàn)組合空間示意圖如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)方案空間示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

按照?qǐng)D4的試驗(yàn)方案進(jìn)行焊接工藝參數(shù)設(shè)置并開展焊接試驗(yàn)，完成后測(cè)量LTCC基板與高硅鋁合金載體的焊接互聯(lián)強(qiáng)度，結(jié)果如表2所示。

表2 焊接試驗(yàn)結(jié)果

續(xù)表

2.2 焊接參數(shù)對(duì)焊接強(qiáng)度影響程度分析

為了定量研究試驗(yàn)中各個(gè)焊接參數(shù)對(duì)焊接強(qiáng)度的影響，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行主效應(yīng)分析。主效應(yīng)表示在一個(gè)或幾個(gè)影響因子(自變量)的多水平(每個(gè)自變量有不同的水平)實(shí)驗(yàn)中，描述一個(gè)因子在另一個(gè)因子各個(gè)水平上對(duì)響應(yīng)變量總體影響大小的度量。一個(gè)因子的主效應(yīng)是此因子在高水平上所有觀測(cè)的平均值與其在低水平上所有觀測(cè)的平均值之差[17]。

試驗(yàn)中，183～140 ℃降溫速率為0.83 ℃/s和0.95 ℃/s的試驗(yàn)只有1組，無(wú)法忽略其他因素對(duì)其影響?；谥餍?yīng)的基本理論，得到降溫速率為0.75 ℃/s和1.15 ℃/s時(shí)對(duì)應(yīng)的焊接強(qiáng)度均值如表3所示。

表3 降溫速率對(duì)焊接強(qiáng)度的影響

試驗(yàn)中，焊接峰值溫度為223 ℃的試驗(yàn)只有1組，無(wú)法忽略其他因素對(duì)其影響?；谥餍?yīng)的基本理論，得到焊接峰值溫度分別為200 ℃、215 ℃和230 ℃時(shí)對(duì)應(yīng)的焊接強(qiáng)度均值如表4所示。

表4 焊接峰值溫度對(duì)焊接強(qiáng)度的影響

試驗(yàn)中，液相線上時(shí)間為87 s的試驗(yàn)只有1組，無(wú)法忽略其他因素對(duì)其影響。基于主效應(yīng)的基本理論，得到液相線上時(shí)間分別為60 s、90 s和120 s時(shí)對(duì)應(yīng)的焊接強(qiáng)度均值如表5所示。由表3～5分析得到3種因子對(duì)焊接強(qiáng)度的影響如圖5所示。

表5 液相線時(shí)間對(duì)焊接強(qiáng)度的影響

圖5 主效應(yīng)分析結(jié)果

由圖5可得如下結(jié)論：

1) 焊接峰值溫度對(duì)焊接強(qiáng)度影響最大，液相線上時(shí)間對(duì)焊接強(qiáng)度影響最小。

2) 焊接峰值溫度為200～215 ℃時(shí)對(duì)焊接強(qiáng)度的增加影響較大;焊接峰值溫度為215～230 ℃時(shí)對(duì)焊接強(qiáng)度的增加影響較小。

3) 液相線上時(shí)間對(duì)焊接強(qiáng)度的影響較小。液相線上時(shí)間為60～90 s時(shí),焊接強(qiáng)度可略微增加;液相線上時(shí)間為90～120 s時(shí)，隨著液相線上時(shí)間的增大，焊接強(qiáng)度稍微減小。

4) 降溫速率無(wú)中心值，總體上看，隨著降溫速率的增大，焊接強(qiáng)度也增大，但不能確定是否存在拐點(diǎn)。

2.3 焊接參數(shù)對(duì)焊接強(qiáng)度影響模型建立

根據(jù)表2所示的試驗(yàn)結(jié)果擬合式(1)的三因子二次回歸模型，假設(shè)x1為降溫速率，x2為焊接峰值溫度，x3為液相線上時(shí)間，利用ANOVA(方差分析)對(duì)全二次模型進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果如表6所示，其中F值表示F檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)量值，P值是用來(lái)判定假設(shè)檢驗(yàn)結(jié)果的一個(gè)參數(shù)。

表6 全二次模型ANOVA結(jié)果

表6中，若P<0.05，則認(rèn)為其相應(yīng)的檢測(cè)是顯著的(有效的)，反之則是非顯著的(無(wú)效的)。先看ANOVA表中的總效果，對(duì)應(yīng)“模型”項(xiàng)的P值為0.193(>0.05)，表明本模型無(wú)效。各項(xiàng)對(duì)應(yīng)的ANOVA檢驗(yàn)結(jié)果顯示相應(yīng)的P值均大于0.05，即認(rèn)為無(wú)顯著項(xiàng)，這是由于非顯著項(xiàng)過(guò)多而導(dǎo)致其中少量的顯著項(xiàng)被掩蓋。

基于以上對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析可知，按照常規(guī)的方法無(wú)法剔除非顯著項(xiàng)，因此，采用逐步回歸的方法進(jìn)行模型擬合，即將變量逐個(gè)引入模型，每引入一個(gè)解釋變量后都要進(jìn)行F檢驗(yàn)(方差比率檢驗(yàn))，并對(duì)已選入的解釋變量逐個(gè)進(jìn)行t值檢驗(yàn)(studentt檢驗(yàn))，當(dāng)原來(lái)引入的解釋變量因后面解釋變量的引入變得不再顯著時(shí)，則將其刪除，以確保每次引入新的變量前回歸方程中只包含顯著性變量。這是一個(gè)反復(fù)的過(guò)程，直到既無(wú)顯著的解釋變量選入回歸方程，也無(wú)不顯著的解釋變量從回歸方程中剔除為止，從而保證最后所得解釋變量集是最優(yōu)的。

表7 逐步回歸t值檢驗(yàn)結(jié)果

表8 簡(jiǎn)化模型ANOVA結(jié)果

由表8可見，簡(jiǎn)化模型對(duì)應(yīng)的P值為0.009(<0.05)，證明簡(jiǎn)化模型是有效的；失擬項(xiàng)對(duì)應(yīng)的P值為0.337(>0.05)，所以并不存在失擬項(xiàng)。對(duì)比前述主效應(yīng)的分析結(jié)果可以看出，該簡(jiǎn)化模型對(duì)應(yīng)的項(xiàng)與主效分析結(jié)論一致，即降溫速率和焊接峰值溫度是影響焊接強(qiáng)度的主要因素。

241.344

(2)

2.4 焊接工藝參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)式(2)的焊接強(qiáng)度模型可得焊接強(qiáng)度y與x1、x2的三維關(guān)系圖和等高線圖,如圖6所示。

圖6 y與x1、x2的關(guān)系圖

要求y在定義域 {(x1,x2)|0.75≤x1≤1.15,200≤x2≤230}中有極大值，可借助基于隨機(jī)梯度下降的Adam算法完成。

在定義域中隨機(jī)選擇x1和x2的初始值構(gòu)造張量θ0=[x1′,x2′]，則θ是f的目標(biāo)更新參數(shù)；同時(shí)因f在其定義域上可微，則f存在梯度gt。因此，根據(jù)Adam核心規(guī)則對(duì)θ進(jìn)行迭代，迭代算法為

(3)

式中：mt為t時(shí)刻的動(dòng)量值，初始時(shí)m0=0；β1為指數(shù)衰減率，控制權(quán)重分配(動(dòng)量與當(dāng)前梯度)，默認(rèn)β1=0.9；β2為指數(shù)衰減率，控制之前的梯度平方的影響情況，默認(rèn)β2=0.999；vt為t時(shí)刻梯度平方的指數(shù)移動(dòng)平均數(shù)，v0初始化為0。最終求得：當(dāng)θ=[0.967,230]時(shí)，ymax=23.1。因此，最優(yōu)試驗(yàn)組合為：降溫速率為0.967 ℃/s，焊接峰值溫度為230 ℃，液相線上時(shí)間為120 s。在此工藝參數(shù)下，焊接強(qiáng)度預(yù)測(cè)值為23.1 MPa。

將優(yōu)化后的焊接參數(shù)應(yīng)用于LTCC基板和封裝載體的焊接驗(yàn)證樣件中，設(shè)置183～140 ℃降溫速率為0.967 ℃/s，焊接峰值溫度為230 ℃，液相線上時(shí)間為120 s。5件試驗(yàn)樣品焊接后界面剪切強(qiáng)度測(cè)試值如表9所示。

表9 焊接界面剪切強(qiáng)度

由表9可見，工藝參數(shù)優(yōu)化后，焊接界面剪切強(qiáng)度的實(shí)測(cè)值和預(yù)測(cè)值誤差為2.1%，證明優(yōu)化得到的焊接工藝參數(shù)是有效的，利用焊接強(qiáng)度與焊接工藝參數(shù)的數(shù)學(xué)模型可有效預(yù)測(cè)焊接界面強(qiáng)度的優(yōu)劣性。

3 結(jié)論

本文針對(duì)大面積LTCC基板與高硅鋁合金封裝載體的焊接，通過(guò)科學(xué)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了焊接試驗(yàn)設(shè)計(jì)，研究了焊接參數(shù)與界面焊接強(qiáng)度的關(guān)系模型，并根據(jù)模型對(duì)焊接參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到以下結(jié)論：

1) 183～140 ℃降溫速率和焊接峰值溫度對(duì)焊接界面強(qiáng)度影響較大。

2) 基于焊接參數(shù)和焊接界面強(qiáng)度的關(guān)系模型得到最優(yōu)焊接工藝參數(shù)組合為：183～140 ℃降溫速率為0.967 ℃/s，焊接峰值溫度為230 ℃，在此焊接工藝參數(shù)下焊接界面的真實(shí)剪切強(qiáng)度為23.6 MPa，與焊接強(qiáng)度預(yù)測(cè)值(23.1 MPa)的相對(duì)誤差為2.1%，證明此焊接參數(shù)模型和優(yōu)化方法是有效的。