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摘要：随着经济和科技的发展，微电子组装水平也在飞速进步，而作为其中重要的焊接工艺的共晶焊接占有重要的地位，对其探讨也具有非常重要的现实意义。本文结合笔者的实践工作经验，首先对共晶焊接的相关理论进行了探讨，包括共晶焊接的概念、原理以及焊料和设备的选用等，然后对真空环境下影响共晶焊接质量的因素进行了探讨，最后在结合理论分析的基础上，提出了两种在真空环境下改进共晶设备的措施，相信可以为实践提供一定的指导意义。
关键词：真空环境；共晶焊接；共晶设备；影响因素
1.引言
随着科技的进步，微电子组装向着小型化、高可靠性等方向发展，越来越多的芯片需要使用共晶来实现互联，这无意中对芯片焊接工艺提出了非常高的要求。而真空环境下的共晶焊接却为解决这种要求带来了曙光，它可以解决大面积薄醒功率芯片的无空洞焊接。但是笔者经过实践分析后认为，共晶焊接的质量对芯片的寿命及可靠性具有比较大的影响，合理的共晶焊接真空度、保护气氛等可以起到非常好的作用。因此，值得深入进行探讨。
近些年来，真空共晶技术得到了飞速的发展，在混合集成电路领域得到了前所未有的广泛应用，随着真空环境下共晶焊接技术的推广，其相应的设备也得到了快速发展。在这种现状下，普通的共晶焊接设备明显不能满足一些高性能和高可靠性芯片的焊接工作，笔者立足于真空环境下共晶焊接质量的影响因素，从改进设备方面来寻求解决之道，以达到提升共晶焊接质量的目的，以提升芯片焊接质量的高可靠性。
2.共晶焊接的相关理论
2.1. 共晶焊接概念
共晶焊接是一种低熔点的合金焊接，它是指在相对较低的温度下共晶焊料发生共晶物熔合的现象，共晶合金直接从固态变成液态，而不经过塑性阶段。在对共晶焊接分析时可知，共晶焊料是由两种或者两种以上的若干金属组成的合金。还有一个概念是共晶温度，它是共晶材料的熔化温度，它往往会受到共晶焊料中合金成分比例的影响。
2.2.选取共晶焊料
共晶焊料的选取非常重要，是共晶焊接中比较关键的部分。对其选取要充分考虑到芯片材质的不同、镀层厚度的不同以及焊料的选用标准。例如，在Si芯片的背面Au只是蒸一个薄层，也不过只有0.1um至0.2um之间，而如果采用Au和Sn焊料，那么芯片上面镀的金就会消失。而且上文也已经提过，焊料中的合金比例还会影响到共晶温度，所以如何有效选取焊料是比较关键的。
值得提出的是，随着当前环境保护的呼声越来越高，含铅的焊料使用逐渐受到了比较大的限制，因此，开发无铅焊料也是未来的一个发展趋势。对无铅焊料的选择也是比较有原则的，要尽量满足结合强度高、化学稳定性强以及熔点尽量要低的要求。当前比较常用的无铅焊料主要有Sn-3.5Ag（它是很多无铅焊料的基础，具有很多优点），Sn-3.8Ag以及Sn-3.4Ag-4.8Bi等，它们各自都具有各自独自的特性以及优点。
2.3.选用共晶设备
可以实现共晶焊接的常用共晶设备有许多，除了真空可控气氛共晶炉外，还有红外再流焊炉、箱式炉以及镊子共晶机等许多种。下文将对当前应用比较普遍的真空可控气氛共晶炉以及镊子共晶机进行分析，限于篇幅，其余不再赘述。
真空可控气氛共晶炉在共晶焊接时能够提供真空环境或可控的气氛（氮气、氮气和甲酸的混合气体等）。共晶焊接时无需使用助焊剂。它可根据焊接对象的共晶特点，设定工艺曲线，可以精确控制炉体内的共晶环境，包括温度和时间，真空度、充气气体流量和时间等。精确的工艺环境控制和使用的安全性使得真空可控气氛共晶炉成为共晶焊接的理想设备。
镊子共晶机在共晶焊接过程中，在加热台周围充氮气作为保护气氛，并在共晶焊料熔化时通过镊子摩擦或超声波使焊料表面形成的氧化膜破坏，从而降低共晶过程中产生的空洞。用此设备时虽在共晶过程中充氮气作为保护气氛，但毕竟是暴露在大气环境下，如果共晶时间掌握不好，就会迅速形成氧化膜，从而在共晶结束后产生空洞。同时，在镊子进行摩擦过程时容易对芯片造成损坏。对于多芯片实现一次共晶比较困难。
3.对真空环境下共晶焊接的影响因素及改进措施探讨
3.1.影响共晶焊接时的主要因素
真空度、保护气氛、设置温度曲线和共晶焊接时的压力等是影响共晶焊接质量的重要因素，下文将分别对它们进行详细探讨，以为提出改进真空环境下焊接质量的措施提供参考基础。
3.1.1.真空度
在共晶焊接过程中，如果真空度太低，焊区周围的气体以及焊料、被焊器件焊接时释放的气体容易在焊接完成后形成空洞，从而增加器件的热阻，降低器件的可靠性，扩大IC 断裂的可能。但是如果真空度太高，在加热过程中传导介质变少，容易产生共晶焊料达到熔点但还没有熔化的现象。在实践中，通常对共晶焊接时的真空度要求为5Pa和10Pa之间。但对于一些内部要求真空度的器件来说，真空度要求往往更高，一般到5×10-2 Pa和5×10-3Pa之间，甚至更高。
3.1.2.保护气氛
当前应用的保护气氛主要有氮气保护焊和甲酸气氛保护焊两种。前者主要应用于体积比较大，而没有明显焊接高要求的器件。在使用时，可以将真空炉抽成真空然后再将氮气注入，并且要多次循环，以将真空炉中保持较高的氮气浓度；而后者主要应用于含铟的焊料时，在使用时，通过对流量的控制，来达到对进气量和抽气速度的控制，将真空度保持在2000Pa的条件下，以达到高温时能对氧化物进行有效还原。
3.1.3.温度曲线
在共晶焊接时，如何有效合理地设置温度曲线也是影响焊接质量的重要因素。众所周知，在共晶焊接时，主要有升温曲线和保温曲线两种。它们可以根据产品的特点进行设置，通常可以设置成为一段或者多段。那么温度曲线主要包含哪些内容呢？笔者认为，无异于升温和保温的温度与时间。下图为一个简单的两段温度工艺曲线，其中细线和粗线分别代表第一段和第二段的温度。在对不同段的温度设置时要充分考虑到各段的时间和温度的关系，这些都需要依据共晶焊料的特点以及所焊器件的吸热程度进行多次试验进行获得。尤其值得指出的是，在了解共晶温度的基础上，对第一段升温温度的设置要低于其30摄氏度左右，而第二段保温温度要高于其40摄氏度左右。 图1共晶焊接时两段温度的工艺曲线
3.1.4.压力
在进行共晶焊接时，芯片上方施加的压力大小也会直接对焊接的质量产生直接影响。用真空可控气氛共晶炉在真空环境下实现共晶时，常常在加热的石墨夹具上设置相关装置来完成对芯片的加压过程。值得注意的是，针对不同的芯片产品，所施加的压力都是不同的，从数克压力至数十克压力不等。对压力大小的控制可以通过压块自重来实现。当然，还存在着一些比较特殊的加压方式，比如弹簧加压等，由于原理较为复杂，实践使用中也比较麻烦，所以应用并不是很广泛。
3.2. 真空环境下对共晶设备的改进
在上文中，对真空环境下影响共晶焊接质量的几种因素进行了分析，下面将在这几种因素的基础上，通过改进共晶设备来达到提升共晶焊接质量的措施，希望可以为实践提供借鉴。在对共晶设备改进时，要充分考虑到客观实际，仔细分析。
下面两种方法并不具有普遍性，只是提供一种改进共晶设备的思路，针对不同的共晶设备，还要有具体针对性的措施。
3.2.1.提高真空度
真空对共晶焊接的影响主要表现在真空条件下焊料及被焊材料表面氧化反应的变化，最终影响焊料的浸润和铺展。
一般我们将金属氧化物的反应表达式表示如下：
在上面的反应式中，我们可以知道这个反应的平衡常数Kp为：
其中这个表达式中， 为金属的分压， 为该反应生成的氧化物的分压， 为氧的分压，A是系数。
可以看出，金属氧化达成的平衡和系统的氧分压有关。在真空系统当中，由于氧的分压非常低，在真空系统中重新平衡时将导致原来的氧化物分解，即原来的化合反应逆向为分解反应。这种情况对分解压大的金属氧化膜有利，如贵金属氧化膜等。一般的金属氧化物分解需要的真空度极高，在技术上很难达到。
一般情况下，真空环境中共晶焊接的氧化物主要是焊料表面在使用前已经存在的氧化膜，虽然在真空中有分解的倾向，但从反应动力学来看，焊接温度没有达到氧化膜开始分解的温度。分析来看，在没有助焊剂的情况下，真空下共晶焊接主要是阻止了焊接过程中焊料的进一步氧化，从而使焊料和被焊表面浸润和铺展过程中所做的功减少，有利于焊接。
在真空环境中进行焊接，可以排走焊区周围的气体，也排走了焊料、被焊材料在加热过程中排放的气体，同时在芯片上外加压力，认为提高设备的工作真空度，降低氧含量，有利于焊接质量的提高。以银锡焊料为例，原有的真空共晶焊接设备的工作真空度为5 Pa，通过改进，加装了分子泵，使设备的极限真空度分别得到了合理提高，然后再运行焊接工艺曲线。通过实验，对焊接后的芯片做X 射线照片分析比较，验证了真空度在加装分子泵后，焊接效果非常明显。其中分子泵的工作原理如下图所示：
图2 分子泵的工作原理图
3.2.2.甲酸气氛保护下的In焊料
影响芯片焊接质量的因素比较多，除了芯片载体表面的洁净度等物理因素，还有在焊接过程中如何对焊料表面的氧化层的去除，以达到芯片与焊料、载体的浸润状态。这里综合考虑各方面因素，对比较有代表性的、延展性较好的In焊料进行探讨。它的熔点比较低，而且比较容易氧化，在焊接过程中总会产生不同程度的氧化，这种氧化物比较稳定，低温下难以去除，如果不能去除的话，就会对芯片的焊接强度以及散热等方面产品影响。
那么如何才能有效解决这个问题呢，笔者经过分析发现，甲酸具有比较强的还原能力，可以对氧化物进行去除。但是，如果直接将甲酸溶液滴入到焊接材料中，虽然可以将氧化物去除，但是对In焊料也具有一定程度的溶解能力，从而导致溶洞的产生。因此，可以采用将高纯甲酸混合气体导入炉体中，从而达到消除In焊料表面氧化物的目的。
笔者在相关步骤下，进行试验发现，采用甲酸气体的条件下可以取得更好的焊接效果，从而验证了方法的可取性。
4.结语
综上所述，共晶焊接对微电子组装技术具有重要的意义。笔者在对共晶焊接原理详细分析的基础上，探讨了真空环境下影响共晶焊接的几种主要因素，并结合实际案例，探讨了两种改进共晶设备的措施，即是通过加装分子泵来提高真空度，避免焊料在加热过程中的氧化；而后对In焊料表面氧化的处理，可以采用高纯和甲酸混合气体的方法，来阐述所达到的明显焊接优势。
参考文献：
[1]胡永芳，李孝轩，禹胜林.基于Au基共晶焊料的焊接技术及其应用[J].电焊机，2008，（09）.
[2]邱小明，孙大谦，殷世强.Al接触共晶反应钎焊接头形成过程和机理[J].机械工程学报，2001，（04）.
[3]吕涛.Mg-Al共晶和AZ91D镁合金焊丝的制备、组织、性能及焊接试验[D].西安理工大学，2007.
[4]刘亚东.共晶Sn-Pb焊膏焊接Sn-Ag-CuBGA元件的焊点可靠性研究[D].哈尔滨工业大学，2008.
[5]陈波，丁荣峥，明雪飞，高娜燕.共晶焊料焊接的孔隙率研究[J].电子与封装，2012，（11）.
关键词：真空环境；共晶焊接；共晶设备；影响因素
1.引言
随着科技的进步，微电子组装向着小型化、高可靠性等方向发展，越来越多的芯片需要使用共晶来实现互联，这无意中对芯片焊接工艺提出了非常高的要求。而真空环境下的共晶焊接却为解决这种要求带来了曙光，它可以解决大面积薄醒功率芯片的无空洞焊接。但是笔者经过实践分析后认为，共晶焊接的质量对芯片的寿命及可靠性具有比较大的影响，合理的共晶焊接真空度、保护气氛等可以起到非常好的作用。因此，值得深入进行探讨。
近些年来，真空共晶技术得到了飞速的发展，在混合集成电路领域得到了前所未有的广泛应用，随着真空环境下共晶焊接技术的推广，其相应的设备也得到了快速发展。在这种现状下，普通的共晶焊接设备明显不能满足一些高性能和高可靠性芯片的焊接工作，笔者立足于真空环境下共晶焊接质量的影响因素，从改进设备方面来寻求解决之道，以达到提升共晶焊接质量的目的，以提升芯片焊接质量的高可靠性。
2.共晶焊接的相关理论
2.1. 共晶焊接概念
共晶焊接是一种低熔点的合金焊接，它是指在相对较低的温度下共晶焊料发生共晶物熔合的现象，共晶合金直接从固态变成液态，而不经过塑性阶段。在对共晶焊接分析时可知，共晶焊料是由两种或者两种以上的若干金属组成的合金。还有一个概念是共晶温度，它是共晶材料的熔化温度，它往往会受到共晶焊料中合金成分比例的影响。
2.2.选取共晶焊料
共晶焊料的选取非常重要，是共晶焊接中比较关键的部分。对其选取要充分考虑到芯片材质的不同、镀层厚度的不同以及焊料的选用标准。例如，在Si芯片的背面Au只是蒸一个薄层，也不过只有0.1um至0.2um之间，而如果采用Au和Sn焊料，那么芯片上面镀的金就会消失。而且上文也已经提过，焊料中的合金比例还会影响到共晶温度，所以如何有效选取焊料是比较关键的。
值得提出的是，随着当前环境保护的呼声越来越高，含铅的焊料使用逐渐受到了比较大的限制，因此，开发无铅焊料也是未来的一个发展趋势。对无铅焊料的选择也是比较有原则的，要尽量满足结合强度高、化学稳定性强以及熔点尽量要低的要求。当前比较常用的无铅焊料主要有Sn-3.5Ag（它是很多无铅焊料的基础，具有很多优点），Sn-3.8Ag以及Sn-3.4Ag-4.8Bi等，它们各自都具有各自独自的特性以及优点。
2.3.选用共晶设备
可以实现共晶焊接的常用共晶设备有许多，除了真空可控气氛共晶炉外，还有红外再流焊炉、箱式炉以及镊子共晶机等许多种。下文将对当前应用比较普遍的真空可控气氛共晶炉以及镊子共晶机进行分析，限于篇幅，其余不再赘述。
真空可控气氛共晶炉在共晶焊接时能够提供真空环境或可控的气氛（氮气、氮气和甲酸的混合气体等）。共晶焊接时无需使用助焊剂。它可根据焊接对象的共晶特点，设定工艺曲线，可以精确控制炉体内的共晶环境，包括温度和时间，真空度、充气气体流量和时间等。精确的工艺环境控制和使用的安全性使得真空可控气氛共晶炉成为共晶焊接的理想设备。
镊子共晶机在共晶焊接过程中，在加热台周围充氮气作为保护气氛，并在共晶焊料熔化时通过镊子摩擦或超声波使焊料表面形成的氧化膜破坏，从而降低共晶过程中产生的空洞。用此设备时虽在共晶过程中充氮气作为保护气氛，但毕竟是暴露在大气环境下，如果共晶时间掌握不好，就会迅速形成氧化膜，从而在共晶结束后产生空洞。同时，在镊子进行摩擦过程时容易对芯片造成损坏。对于多芯片实现一次共晶比较困难。
3.对真空环境下共晶焊接的影响因素及改进措施探讨
3.1.影响共晶焊接时的主要因素
真空度、保护气氛、设置温度曲线和共晶焊接时的压力等是影响共晶焊接质量的重要因素，下文将分别对它们进行详细探讨，以为提出改进真空环境下焊接质量的措施提供参考基础。
3.1.1.真空度
在共晶焊接过程中，如果真空度太低，焊区周围的气体以及焊料、被焊器件焊接时释放的气体容易在焊接完成后形成空洞，从而增加器件的热阻，降低器件的可靠性，扩大IC 断裂的可能。但是如果真空度太高，在加热过程中传导介质变少，容易产生共晶焊料达到熔点但还没有熔化的现象。在实践中，通常对共晶焊接时的真空度要求为5Pa和10Pa之间。但对于一些内部要求真空度的器件来说，真空度要求往往更高，一般到5×10-2 Pa和5×10-3Pa之间，甚至更高。
3.1.2.保护气氛
当前应用的保护气氛主要有氮气保护焊和甲酸气氛保护焊两种。前者主要应用于体积比较大，而没有明显焊接高要求的器件。在使用时，可以将真空炉抽成真空然后再将氮气注入，并且要多次循环，以将真空炉中保持较高的氮气浓度；而后者主要应用于含铟的焊料时，在使用时，通过对流量的控制，来达到对进气量和抽气速度的控制，将真空度保持在2000Pa的条件下，以达到高温时能对氧化物进行有效还原。
3.1.3.温度曲线
在共晶焊接时，如何有效合理地设置温度曲线也是影响焊接质量的重要因素。众所周知，在共晶焊接时，主要有升温曲线和保温曲线两种。它们可以根据产品的特点进行设置，通常可以设置成为一段或者多段。那么温度曲线主要包含哪些内容呢？笔者认为，无异于升温和保温的温度与时间。下图为一个简单的两段温度工艺曲线，其中细线和粗线分别代表第一段和第二段的温度。在对不同段的温度设置时要充分考虑到各段的时间和温度的关系，这些都需要依据共晶焊料的特点以及所焊器件的吸热程度进行多次试验进行获得。尤其值得指出的是，在了解共晶温度的基础上，对第一段升温温度的设置要低于其30摄氏度左右，而第二段保温温度要高于其40摄氏度左右。 图1共晶焊接时两段温度的工艺曲线
3.1.4.压力
在进行共晶焊接时，芯片上方施加的压力大小也会直接对焊接的质量产生直接影响。用真空可控气氛共晶炉在真空环境下实现共晶时，常常在加热的石墨夹具上设置相关装置来完成对芯片的加压过程。值得注意的是，针对不同的芯片产品，所施加的压力都是不同的，从数克压力至数十克压力不等。对压力大小的控制可以通过压块自重来实现。当然，还存在着一些比较特殊的加压方式，比如弹簧加压等，由于原理较为复杂，实践使用中也比较麻烦，所以应用并不是很广泛。
3.2. 真空环境下对共晶设备的改进
在上文中，对真空环境下影响共晶焊接质量的几种因素进行了分析，下面将在这几种因素的基础上，通过改进共晶设备来达到提升共晶焊接质量的措施，希望可以为实践提供借鉴。在对共晶设备改进时，要充分考虑到客观实际，仔细分析。
下面两种方法并不具有普遍性，只是提供一种改进共晶设备的思路，针对不同的共晶设备，还要有具体针对性的措施。
3.2.1.提高真空度
真空对共晶焊接的影响主要表现在真空条件下焊料及被焊材料表面氧化反应的变化，最终影响焊料的浸润和铺展。
一般我们将金属氧化物的反应表达式表示如下：
在上面的反应式中，我们可以知道这个反应的平衡常数Kp为：
其中这个表达式中， 为金属的分压， 为该反应生成的氧化物的分压， 为氧的分压，A是系数。
可以看出，金属氧化达成的平衡和系统的氧分压有关。在真空系统当中，由于氧的分压非常低，在真空系统中重新平衡时将导致原来的氧化物分解，即原来的化合反应逆向为分解反应。这种情况对分解压大的金属氧化膜有利，如贵金属氧化膜等。一般的金属氧化物分解需要的真空度极高，在技术上很难达到。
一般情况下，真空环境中共晶焊接的氧化物主要是焊料表面在使用前已经存在的氧化膜，虽然在真空中有分解的倾向，但从反应动力学来看，焊接温度没有达到氧化膜开始分解的温度。分析来看，在没有助焊剂的情况下，真空下共晶焊接主要是阻止了焊接过程中焊料的进一步氧化，从而使焊料和被焊表面浸润和铺展过程中所做的功减少，有利于焊接。
在真空环境中进行焊接，可以排走焊区周围的气体，也排走了焊料、被焊材料在加热过程中排放的气体，同时在芯片上外加压力，认为提高设备的工作真空度，降低氧含量，有利于焊接质量的提高。以银锡焊料为例，原有的真空共晶焊接设备的工作真空度为5 Pa，通过改进，加装了分子泵，使设备的极限真空度分别得到了合理提高，然后再运行焊接工艺曲线。通过实验，对焊接后的芯片做X 射线照片分析比较，验证了真空度在加装分子泵后，焊接效果非常明显。其中分子泵的工作原理如下图所示：
图2 分子泵的工作原理图
3.2.2.甲酸气氛保护下的In焊料
影响芯片焊接质量的因素比较多，除了芯片载体表面的洁净度等物理因素，还有在焊接过程中如何对焊料表面的氧化层的去除，以达到芯片与焊料、载体的浸润状态。这里综合考虑各方面因素，对比较有代表性的、延展性较好的In焊料进行探讨。它的熔点比较低，而且比较容易氧化，在焊接过程中总会产生不同程度的氧化，这种氧化物比较稳定，低温下难以去除，如果不能去除的话，就会对芯片的焊接强度以及散热等方面产品影响。
那么如何才能有效解决这个问题呢，笔者经过分析发现，甲酸具有比较强的还原能力，可以对氧化物进行去除。但是，如果直接将甲酸溶液滴入到焊接材料中，虽然可以将氧化物去除，但是对In焊料也具有一定程度的溶解能力，从而导致溶洞的产生。因此，可以采用将高纯甲酸混合气体导入炉体中，从而达到消除In焊料表面氧化物的目的。
笔者在相关步骤下，进行试验发现，采用甲酸气体的条件下可以取得更好的焊接效果，从而验证了方法的可取性。
4.结语
综上所述，共晶焊接对微电子组装技术具有重要的意义。笔者在对共晶焊接原理详细分析的基础上，探讨了真空环境下影响共晶焊接的几种主要因素，并结合实际案例，探讨了两种改进共晶设备的措施，即是通过加装分子泵来提高真空度，避免焊料在加热过程中的氧化；而后对In焊料表面氧化的处理，可以采用高纯和甲酸混合气体的方法，来阐述所达到的明显焊接优势。
参考文献：
[1]胡永芳，李孝轩，禹胜林.基于Au基共晶焊料的焊接技术及其应用[J].电焊机，2008，（09）.
[2]邱小明，孙大谦，殷世强.Al接触共晶反应钎焊接头形成过程和机理[J].机械工程学报，2001，（04）.
[3]吕涛.Mg-Al共晶和AZ91D镁合金焊丝的制备、组织、性能及焊接试验[D].西安理工大学，2007.
[4]刘亚东.共晶Sn-Pb焊膏焊接Sn-Ag-CuBGA元件的焊点可靠性研究[D].哈尔滨工业大学，2008.
[5]陈波，丁荣峥，明雪飞，高娜燕.共晶焊料焊接的孔隙率研究[J].电子与封装，2012，（11）.