Ag72Cu釬焊阻焊技術研究

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趙飛 何素珍 于辰偉 張玉君

（中國電子科技集團公司第四十三研究所 合肥圣達電子科技實業有限公司）

摘要：

以某功率放大器金屬封裝外殼為研究對象，運用微觀組織分析方法，對氮化鋁和氧化鋁兩種不同的陶瓷粉體漿料構成的阻焊層的阻焊結構進行了分析。氮化鋁阻焊漿料由于其內部組織顆粒之間比較松散且有孔洞，與基體結合力不強，阻焊效果差。氧化鋁漿料阻焊層具有結構致密度更高、與基體結合力更強等特點，阻焊效果良好，采用其制備的阻焊層可滿足芯片摩擦焊區域不允許出現焊料流淌的要求，實現 Ag72Cu硬釬焊阻焊的目的。

引言

微波功率放大器是微波整機系統中不可或缺的關鍵電子元器件之一，廣泛應用于各類有源相控陣雷達、衛星通信、干擾/識別等軍用、民用電子整機系統中。近年來，隨著無線通訊等微波技術的快速發展，微波功率放大器正受到越來越廣泛的研究與關注。金屬封裝外殼是微波功率放大器關鍵組成部分，主要起到支撐/保護內部芯片、散熱、信號傳輸等作用。目前國內外采用的阻焊技術按照其工藝實施方法，可分為兩大類，即結構阻焊法和預置（涂）阻焊膜（層）法。

針對結構阻焊法，通常采用凸起臺階或凹槽等額外的、非必須的物理結構來阻斷焊料的流淌，從而實現阻焊的目的。但此方法具有很大的局限性：一方面需要增加額外的臺階或凹槽結構，無形中增加了制造成本，同時對高集成、小型化的集成電路外形尺寸來說也是嚴峻的考驗；另一方面，其主要應用于 250℃以下且焊料凝固速度很快的鉛錫等低熔點釬焊領域的阻焊，而對高溫銀銅（Ag72Cu）焊料來說，焊料會輕易越過臺階或凹槽，阻焊效果十分有限。

針對預置（涂）阻焊膜（層）法，中國電科 55所賈伏龍等［1］ 提出了環氧樹脂添加無機填料與胺系固化劑制備阻焊膠的方法，南京電子技術研究所湯俊等［2］ 提出了有機阻焊劑（膠）結合汽相再流焊和熱板再流焊技術的方法。上述方法也主要集中應用于低溫軟釬焊領域，應用于高溫硬釬焊領域的阻焊技術少有報道。

為解決金屬封裝外殼高溫銀銅（Ag72Cu）釬焊時焊料流淌不受控問題，本文開展了氮化鋁和氧化鋁兩種阻焊技術的研究。結果表明，氧化鋁阻焊技術能夠起到對焊料阻擋的要求，這為高溫條件下阻焊技術的工程化應用提供了新的解決思路。

1 實驗準備

選取某微波功率放大器金屬封裝外殼作為研究對象，其結構剖面如圖 1 所示，其中： “1”為底板，其材質為銅?鉬銅?銅（CPC）復合材料； “2”為陶瓷環框，其材質為 92% 氧化鋁； “3”為寬扁平引線，其材質為 4J42 合金。底板、陶瓷環框、寬扁平引線通過銀銅釬焊工藝焊接成一整體，然后進行全鍍金處理?！?”為芯片，通過摩擦焊工藝，焊接到金屬封裝外殼內腔底部，再采用金絲鍵合工藝將芯片與寬扁平引線進行微組裝； “5”為陶瓷蓋帽，用于與金屬封裝外殼形成密封腔體，以保護其內部電路，從而形成完整的電路器件。

一般情況下，金屬封裝外殼銀銅焊料流淌處會形成 0.02~0.05 mm 的高度差，如果焊料無規則的流淌至焊接區，將形成一個凹凸不平、不規則的表面，若此時進行摩擦焊接，芯片容易虛焊，嚴重者將導致芯片斷裂，影響器件質量和可靠性。故采用摩擦焊工藝進行微組裝時，金屬封裝外殼的內腔底部芯片 焊接 區（行業 內一 般要 求距 離四 周內 側壁0.50 mm 的區域范圍）不允許有焊料流淌，如圖 2 陰影區域所示。

熔化的焊料首先需在焊接部位完成潤濕和鋪展，此時焊料與金屬母材之間會發生相互溶解和擴散，從而形成金屬間化合物［1］ 。而阻焊顧名思義是阻止、限制焊料流淌或鋪展到需要保護的目標區域內，從而阻止其與基材發生相互溶解和擴散。阻焊的目的是避免由此帶來的相互反應或受其干涉、影響而導致焊接件功能的降低甚至失效。

阻焊層材質的選擇一方面不能與金屬釬焊浸潤或反應，另一方面要方便清洗、去除，從而不影響后續工藝的實施。陶瓷材料的配位鍵主要有離子鍵和共價鍵兩種，都非常穩定，因此一般的金屬釬料對陶瓷是沒有潤濕性的［3］ 。鑒于此，選擇耐高溫且不易與金屬釬料浸潤的氮化鋁或氧化鋁粉作為阻焊材料，與非離子型分散劑、溶劑、燒結助劑、塑性劑和粘結劑等幾種有機溶劑混合制備成阻焊漿料，然后采用絲網印刷工藝印制到殼體需要阻焊的位置來阻止焊料的流淌、滲透，從而達到阻焊的目的。

殼體制備工藝流程設計為：先進行 CPC 底板、寬扁平引線、陶瓷環以及焊料等零配件加工，然后采用石墨模具將幾種零配件按照結構要求進行定位、夾緊，送入銀銅釬焊鏈式爐中進行釬焊，最后對殼體進行電鍍鎳金表面處理。

2 結果與討論

2.1 初始方案

初始實驗方案直接在 CPC 底板上印制阻焊漿料來進行阻焊。具體為：采用絲網印刷工藝，將氮化鋁漿料印制到 CPC 底板上，并經過 50℃、20 min的工藝條件將其烘干、固化，實物如圖 3所示。

阻焊層制備完成后，將其與焊料、陶瓷環、寬扁平引線等零配件按照工藝要求進行組裝并進行釬焊，如圖 4所示。最后，對其進行鍍鎳鍍金處理。

此方案在制備過程中遇到了以下問題：

（1）阻焊效果不理想。阻焊層與 CPC 底板結合力不牢，再加上是區域滿幅印制，阻焊層內應力過大，加劇了其邊緣與底板分層的風險，進一步導致阻焊失敗。

（2）氮化鋁阻焊層與 CPC 底板結合力不牢，容易脫落。氮化鋁阻焊漿料直接印制在裸 CPC 底板表面上，受到外力時，哪怕很輕微的觸碰后，阻焊層都有脫落現象，如圖 5所示。

鑒于此，有必要對上述方案進行優化，以解決焊料流淌阻擋效果不理想問題。

2.2 優化措施

針對氮化鋁阻焊失效原因，采用 ZEISS SIG?MA?500 掃描電子顯微鏡對其進行微觀分析，其微觀組織結構如圖 6 所示。由圖可見，氮化鋁阻焊層內部結構比較松散，顆粒之間有明顯的間隙或孔洞，并且其與基體材料接觸面處存在著一條明顯的界面，界面附近出現孔洞或者裂紋，容易在這些缺陷附近形成應力集中［4］ ，這是其結合力不牢、阻焊效果不理想的主要原因。

另一種陶瓷粉體 — —氧化鋁阻焊漿料形成阻焊層后，微觀組織結構如圖 7 所示。從圖中可以看出，氧化鋁阻焊漿料內部組織結構強度明顯優于氮化鋁阻焊漿料，顆粒之間被漿料緊緊包裹，沒有間隙或孔洞（圖中上側及右側孔洞為研磨制樣時顆粒磨削脫落所致）。最為關鍵的是氧化鋁阻焊層與CPC 基材接觸界面處沒有明顯的“分界線”，甚至部分顆粒已經嵌到了 CPC 表面較軟的銅基體內，形成了“犬牙交錯”的結構。由此可知，氧化鋁阻焊層與基體的結合強度比較高，其作為阻焊層使用時，應該能夠對銀銅焊料滲透起到很好的阻擋作用。所以本文選用氧化鋁作為對高溫銀銅焊料阻焊的材料。

同時，針對氧化鋁阻焊漿料與基材之間結合力比較強的特點，工藝優化時，對印制結構也進行了調整。原阻焊印制為一塊長方形區域滿幅印制，其缺點為阻焊漿料用量大、成本高，而且阻焊層內應力大，其邊緣容易與底板出現分層現象，進一步加劇了阻焊失敗的風險。因此，本文提出了框形印制結構的優化方案，如圖 8所示。

采用框形印制結構的優點主要有：（1）相對于區域滿幅印制而言，所需漿料量大大減少，降低了原材料成本；（2）降低了阻焊層的內應力，提高了其邊緣與底板的結合力，從而提高了阻焊的可靠性；（3）框形印制阻焊漿料覆蓋區域面積減少，降低了后道清洗的難度和工作量。

圖9（a）和（b）分別給出了原工藝路徑和優化后的新工藝路徑。原工藝采用的是氮化鋁阻焊漿料，區域滿幅印制結構；而新工藝采用的是氧化鋁阻焊漿料，并且采用框形印制結構。另外，為進一步提高鍍鎳層與基體的結合力，新工藝在印制氧化鋁阻焊漿料之前增加了CPC底板鍍鎳及高溫擴散處理工藝。

采用新工藝制備的產品掃描電鏡如圖 10所示。從圖中可以看出，相對于未設計阻焊層的結構（其掃描電鏡如圖 11 所示），氧化鋁阻焊層對銀銅焊料流淌起到了很好的阻擋作用，有效阻止了焊料往芯片摩擦焊接關鍵區域的流淌。

原因分析為，氮化鋁是一種共價鍵化合物，具有穩定的六方晶型［5］ ，自擴散系數小，致密化非常困難［6］ ，并且其顆粒形狀尺寸差異較大，與前述漿料制備采用的有機溶劑之間相容性不好，導致阻焊漿料內應力過大，容易在界面和漿料內部產生裂紋，從而易被高溫焊料穿透，起不到阻焊的作用。而氧化鋁為三方晶系氧化物，顆粒尺寸較小且相對均勻。氧化鋁粉越細，燒結比表面能越大［7］ ，從而有效促進擴散速率，能夠與漿料制備采用的有機溶劑充分的混合接觸。二者之間的相容性比氮化鋁好，降低了漿料的內應力，提高了漿料與基體的結合力，從而可以實現阻焊的目的。

采用硬毛刷對印制阻焊區進行刷洗，可以徹底去除氧化鋁阻焊層，不會對后道電鍍工藝造成影響。圖 12 和 13 分別給出了未設計阻焊結構和采用氧化鋁阻焊的金屬封裝外殼成品實物。從中可以明顯看出，未采用阻焊結構的內腔焊接區域有明顯的焊料流淌堆積，而采用阻焊結構的相應區域沒有焊料流淌堆積，能夠滿足芯片摩擦焊使用要求。

2.3 跟蹤驗證

通過對技術優化后的工藝進行多個、連續批次的生產跟蹤，發現阻焊效果良好，滿足產品技術指標要 求。 抽取 了連 續三 個批 次的 產品 按照GJB2440A—2006《混合集成電路外殼通用規范》的要求進行了相關可靠性試驗驗證，結果也均合格，具體如表 1所示。

3 結論

為解決金屬封裝外殼高溫銀銅（Ag72Cu）釬焊時焊料流淌不受控問題，本文開展了氮化鋁和氧化鋁兩種阻焊技術的研究。研究發現，氮化鋁阻焊漿料固化后形成的阻焊層微觀組織比較稀疏、不致密，顆粒之間以及顆粒與基材界面之間有明顯的孔洞或“分界線”，結合力比較弱，阻止銀銅焊料流淌的效果不好。而氧化鋁阻焊漿固化后形成的阻焊層微觀組織致密，顆粒之間以及顆粒與基材界面之間形成了“犬牙交錯”的微觀結構，結合力強，能夠有效阻止銀銅焊料的滲透、流淌。另外，采用框形印制替代區域滿幅印制，可減小阻焊層的內應力，進一步提高阻焊的可靠性。

審核編輯 黃宇