真空共晶焊接技术是一种新型封装技术,它可以在不使用任何助焊剂的情况下,实现对大功率芯片的共晶焊接。在大功率芯片的封装过程中,共晶焊接是连接基板和芯片的一项核心工艺技术,焊接质量的优劣直接决定产品性能。与其他常规的焊接方式相比,共晶焊接的导热系数高、电阻小、传热快、可靠性高。在芯片共晶焊接后对其进行检验时,空洞率是最主要的考核指标,空洞率的大小会直接决定芯片焊接质量。

焊接空洞

所谓空洞，就是在焊料和母材的界面处，存在未润湿的空隙，或者在焊料内部存在空洞。导致空洞缺陷产生的因素是多方面的，主要因素有残留气体、表面氧化、表面污染、焊剂残渣和母材表面粗糙度等。

焊接空洞失效原因及采取措施

(1)焊料浸润性差

浸润性的好坏直接影响焊料流淌性能及焊接强度，良好的浸润性能减少空洞，提高焊接强度。

焊料的浸润性差，一方面可以认为焊料与芯片背面的接触面积较小;另一方面说明浸润液体边缘受到的界面张力较大，阻碍了焊料的铺展过程。

焊接的第一阶段,是熔化的焊料在固体的金属表面进行充分扩散,即润湿。熔化的焊料要润湿固体金属表面的前提就是要求焊料片和金属表面必须要洁净。固体表面的润湿性主要由界面层原子或原子团的性质决定。

通过等离子清洗，可以去除表面污染物，引入亲水极性基团，增加焊料与芯片背面的接触面积，提高浸润性，增大焊接面积及焊接强度。

（2）焊料表面氧化层

焊料存放时间过长，会使其表面产生过厚的氧化层。如果在焊接过程中没有人工干预氧化层是很难去除的，焊料熔化后形成的氧化膜会在焊接后形成空洞。

采用等离子清洗技术对焊接表面作进一步清洗，可以清除掉在材料表面的杂质，并将管壳、焊料、芯片的氧化程度降到最低，从而减少空洞的产生，提高焊接质量。

(3)焊接表面颗粒及粘污

在焊接过程中，如使用了不洁净的管壳或芯片背面受到了污染，会造成焊接过程中的焊料不能完全扩散，形成空洞，影响焊接效果。因此，管壳、芯片、焊片在焊接前要严格处理，去除材料在加工期和传递过程中带来的污染。采用超声和等离子清洗可有效去除材料表面的颗粒、有机粘污和离子沾污。

等离子清洗效果

利用等离子清洗机对芯片载体、焊料片进行清洗,获得的清洗效果如图1-1所示。

图1-1 等离子清洗前后润湿效果对比图

等离子清洗机清洗改善被焊接面表面的润湿性,通过判定润湿性是否改善以及其改善程度即可判定清洗的效果。

通过以上图片可以看出,清洗后的润湿角变小,表面状态改善良好。为了进一步测定,将清洗前后的材料进行焊接,通过x-ray检测其空洞率,效果如图2-1所示。

图2-1 等离子清洗前后焊接x-ray对比图

通过以上x-ray检测图片看出,等离子清洗后的焊接空洞率接远小于5%,完全满足大功率芯片的焊接要求。