侯一雪，乔海灵，廖智利

(中国电子科技集团公司第二研究所，太原030024)

摘要：文章简要介绍了混合电路基板与外壳共晶焊的几个关键工艺步骤，其中包括共晶焊设备的选用、焊料的选择、夹具的设计制作、共晶温度曲线的设置以及共晶实验等。文章对实现多芯片共晶同样具有一定的指导意义。

关键词：混合电路；基板；共晶；微组装

l 引言

几十年来，薄、厚膜混合集成电路始终在装备的高性能、高可靠、多功能、小型化方面起着重要作用，始终在与大规模集成电路的应用及发展相辅相成。

近年来，随着装备系统对高机动作战能力、高可靠性要求的进一步提高，对混合电路的组装密度、频率、功率、可靠性等性能指标要求更加苛刻。在混合电路，特别是微波功率放大器、压控扫荡器模块(VCO)等微波混合电路及组件的微组装过程中，由于组装密度、频率及功率的提高，采用传统的导电胶基板粘接工艺已无法满足散热的需求，必须引入新的工艺方法。

与导电胶粘接工艺相比，共晶焊基板烧结安装具有热导率高、电阻小、传热快、可靠性强、焊接后的强度大等优点，因此特别适用于高频、大功率器件基板与外壳的焊接。因此开展混合电路基板与外壳共晶焊工艺技术的研究，在混合电路微组装过程中有广泛的应用前景。 

2 共晶焊设备的选择

在混合电路微组装工艺过程中，基板与外壳共晶焊常用工艺设备有人工镊子共晶机、全自动共晶机、箱式炉、红外再流焊炉、真空／可控气氛共晶炉等。镊子共晶机对操作者要求高，许多工艺参数不可控，不能任意设置温度曲线，如所需共晶焊接的电路基板超过两块时，先焊接的基板会重复受热，焊料多次融化易在焊接表面生成氧化锡，基板形变，焊接扩散面不规则，且基板长时间受热会严重影响基板上芯片和其他元器件的寿命和性能。另外，镊子共晶机在共晶焊时有个磨擦工序，而许多情况下由于受基板大小和尺寸位置限制，往往无法充分磨擦，最终导致共晶缺陷的产生。

全自动共晶焊接机价格昂贵，且不太适合多品种、小批量的生产。

使用箱式炉和红外再流焊炉进行共晶焊，需要使用助焊剂，而助焊剂会产生污染，需要增加清洗工艺，如清洗不彻底将导致电路长期可靠性指标降低；

另外，共晶焊时容易产生空洞，焊料空洞会导致散热性能降低和局部过热等，造成电路性能及可靠性指标降低。

真空／可控气氛共晶炉是国内外广泛使用的设备，可用于IC芯片装片、基板安装、电路密封等，共晶焊时无需使用助焊剂，可抽真空并可对气氛进行控制，减少共晶焊接空洞，同时能提供精确的工艺曲线，提高共晶焊质量。因此，在混合电路基板与外壳的共晶焊技术研究过程中，选用了真空／可控气氛共晶炉进行产品生产。 

3 焊料的选用

在混合电路微组装过程中，共晶焊常用的共晶焊料主要有锡铅(Sn63Pb37)焊料、金锡(Au80Sn20)焊料、金锗(Au-Ge)焊料、金硅(Au-Si）焊料等，这些共晶焊料的共晶温度及电气机械性能特性如表1所示。

在实际工作中，焊料的选用非常关键。焊料的选用通常要综合考虑焊接面(基板背面及外壳表面)金属化层的材料种类及厚度、焊接工序、焊后电气机械性能、器件及基板的热承受能力等诸多因素。考虑焊接工序主要是指当有阶梯焊要求时，先行焊接的要采用共晶温度较高的焊料。在本实验中，实验样件为某规格微波功率放大器，考虑到基板外壳共晶焊接后，还要进行芯片与基板的共晶焊接安装及共晶焊接封帽，同时综合考虑导热性要好、焊接牢固等因素，最终选用了电阻率较低、热导率及焊后剪切强度相对较高、共晶温度为356℃的金锗焊料。所选焊料为片状，通常应保存在氮气柜中，若焊料出现氧化(氧化膜较厚)，在共晶焊接前需要清洗。

4 共晶焊接夹具的设计与制作

图1所示为本实验样品微波功率放大器所需共晶焊接部分结构示意图，两块陶瓷电路基板要共晶焊接在金属外壳底座上。

利用真空共晶炉实现上述样品共晶焊接时，需要使用夹具。夹具的设计与制作要综合考虑每炉共晶焊接数量、夹具的热传导性、热均匀性、热变形特性、易加工性、易操作性、耐用性等因素。由于超高纯度石墨具有优良的快速导热性能、热均匀性好、热变形小，且易于加工，最终选定纯度为99.997％的高纯度石墨作为夹具材料。夹具结构及操作步骤如图2所示。

夹具下模板上以阵列方式开有用于安放外壳底座的槽，起到固定底座的作用，同时可以快速传导热量到底座上，保温效果及温度均匀性也很好；焊料片与基板依次放在指定位置，大部分夹具通常在三层以上(本实验所用夹具为2层结构)，夹具中模板上开有孔，用于基板的定位；夹具上模板上开有圆孑L，可以插入导柱压块，导柱压块透过夹具上模板压在基板上，给基板施加一定的压力，使基板、焊料片、底座紧密结合，可提高共晶面的均匀性并减少空洞，导柱压块的数量通常为3个(可根据基板面积确定)。

5 共晶温度曲线的设置

实验样品微波功率放大器电路基板背面及外壳底座表面镀Au，镀Au层厚度大于4μm，焊料选用片状金锗焊料，焊料片大小与基板尺寸大致相同，厚度为25μm左右。经过大量的工艺实验，确定如图3所示的工艺流程。

通常情况下，在共晶焊接中焊接温度要高于共晶温度30℃～50℃。由于金锗共晶焊料的共晶温度为356℃，根据被焊件热容量的大小，焊接的峰值温度在410℃左右。因此对电路基板的耐高温特性提出了要求，要求电路基板能承受400℃以上的高温，且在该温度下，电阻及其他电性能不能有改变。为了保证电路基板不至于因高温损坏，在设置温度曲线时，在保证焊接效果的前提下，使焊接温度保持时间尽可能短。除此之外，在共晶焊时，冷却速度还直接关系到焊接质量，因此，在温度曲线设置时，应尽可能通过快速吹氮气的办法提高降温速率。但降温速率应能使基板与底座之间的热应力满足工艺要求。

6 结论

       图4所示为共晶焊后检测结果的两幅x射线检查照片，共晶面厚度均匀，焊料空洞率控制在5％以下，达到要求。

本技术降低了混合电路基板与底座共晶焊接的空洞率，提高了共晶焊接的质量，可达到实用化要求。同时，该技术还可用于混合电路微组装过程中多芯片的共晶焊接装片。