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幾種常用的載體和芯片的裝配和返修工藝

電子萬花筒 ? 來源:電子萬花筒 ? 作者:陳澄,孫乎浩,謝 ? 2022-06-14 09:53 ? 次閱讀

摘要:

微波組件的調試工藝特殊復雜,尤其在微組裝部分,載體及芯片會頻繁地返修更換。主要介紹了幾種常用的載體和芯片的裝配及返修工藝,驗證了粘接或燒結的芯片及載體的剪切強度是否滿足GJB548中方法2019的相關要求,對比了使用的幾種導電膠及焊料裝配后的剪切強度。結果表明:使用導電膠粘接的芯片及載體,可反復進行返修,剪切強度無明顯變化;采用燒結工藝的芯片及載體,可滿足一次返修,超過兩次返修后,焊接表面氧化嚴重,剪切強度有明顯下降。

引言

隨著微波多芯片組件在現代軍民用領域應用的日益擴大,微波組件不斷向小型化、高密度、高可靠和高性能的方向發展,對微波組件的裝配及調試工藝提出了更高的要求。目前,大量的微波組件采用混裝工藝,既有印制板或軟基板的焊接、大量表貼器件及封裝模塊的回流焊接、絕緣子連接器電氣互聯等電裝工藝,又有芯片及片式電容的粘接或共晶、載體(或稱為墊片、熱沉、襯底等)或共晶載體的粘接或低溫燒結、金絲(帶)鍵合和芯片倒裝焊接等微組裝工藝,同時大量采用了激光封焊等氣密封裝技術,具有多個溫度梯度的燒結或粘接。大量密集芯片及載體的裝配,微組裝部分容易受到電裝焊接的污染等特點,同時還存在難以察覺的失效隱患故障,試驗條件嚴苛。因此在微波組件裝配與調試中設立了自檢、互檢、專檢的工位,在工藝設計時充分考慮溫度梯度的可實施性及返修的可行性,在調試時采用多種手段,嚴格按照相關程序文件進行。

針對微波組件特殊復雜的維修工藝,文中主要從微組裝的芯片及載體的維修工藝入手,研究其裝配及返修工藝,驗證粘接或燒結的芯片及載體的剪切強度是否滿足GJB 548中方法2019的相關要求,并對比使用的幾種導電膠及焊料裝配后的剪切強度。

1 試驗工藝與設備

1.1 裝配及檢測工藝設備

載體及芯片的粘接使用手動點膠機。點膠時間可調,范圍為0.008~99.999 s。點膠壓力可調,范圍為0~0.69 MPa。配件為:5 ml針筒+27G透明色針頭。使用參數為:時間0.1~3.0 s,壓力0.21~0.28 MPa。

載體及芯片的共晶及低溫燒結使用共晶焊接機。低溫燒結時加熱溫度為160 ℃,芯片共晶時加熱溫度為280 ℃。

使用剪切力測試儀測量粘接或燒結的載體及芯片的剪切強度。

1.2 裝配及返修用材料及工藝 對于載體的粘接,使用導電膠84-1A,固化參數為:170 ℃,30 min。對于芯片的粘接,使用導電膠H20E,固化參數為:150 ℃,30 min。

對于芯片的共晶焊接,使用Au80Sn20焊料進行焊接;對于載體或共晶載體的低溫焊接,使用In80Pb15Ag5或Sn43Pb43Bi14材料。根據管殼大小設定加熱溫度,一般為焊料熔點上調10~20 ℃。

對于粘接的芯片及載體的返修,由于管殼中的溫度梯度的限制,經過前期試驗進行研究,使用H20E進行粘接,固化參數為100 ℃,150 min。

對于共晶的芯片進行返修時,一般將芯片及共晶的載體一并進行鏟除,后使用H20E進行粘接,固化參數為100 ℃,150 min。

對于共晶載體的低溫燒結,其返修工藝為加熱到原先溫度后,待焊料熔化后取出,并使用新的共晶載體進行替換。若存在不能承受此加熱溫度的器件或模塊時,需在返修前將這些先拆除后再進行返修。

選用的導電膠有84-1A、H20E、EK1000三種常用導電膠;選用的焊料為Au80Sn20、In80Pb15Ag5;選用的載體有可伐、鉬銅載體(Mo80Cu20);選用的芯片有HMC462(GaAs材料)、3590、Si基材料的微機電系統(MEMS)和芯片電容(陶瓷材料)。為保證熱膨脹系數盡量接近的原則,Si基芯片使用可伐合金載體,而GaAs、陶瓷的芯片使用鉬銅載體。材料及相關參數見表1。

表1 導電膠/焊料/芯片/載體參數

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2 試驗結果及分析

2.1 導電膠粘接裝配及返修工藝

使用20 mm×20 mm×2 mm的鋁合金墊塊模擬管殼進行試驗,墊塊表面鍍銀處理。使用手動點膠機進行載體的粘接,點膠量及粘接效果如圖1所示。

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圖1 載體粘接圖

對于需要載體安裝的芯片,其粘接工藝為先將載體粘接到管殼內,后粘接芯片。對于無需裝配載體的芯片,如MEMS濾波器,由于其芯片的特殊性,直接將芯片粘接到管殼內,為保證其散熱性能,使用EK1000導電膠進行粘接,粘接效果如圖2所示。

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圖2 MEMS粘接效果圖

導電膠固化完成后,使用剪切力測試儀測量其剪切強度。測試方法及結果如圖3所示。將推刀貼近但不接觸墊塊及被測樣品,后進行測量,待樣品被推刀推斷后自動讀出數據。

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圖3 剪切力測試

對載體及芯片完成推拉力試驗后,將墊板上殘余的導電膠拆除平整后,重新使用H20E導電膠粘接,固化參數為100 ℃,150 min。鏟除后的墊板表面如圖4所示。

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圖4 去除導電膠后的墊板表面

重新粘接固化完成后,使用剪切力測試儀進行測量其剪切強度。測試結果如圖5所示。推拉力試驗測試的數據見表2。

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圖5 返修后載體及芯片背面 表2 推拉力測試結果

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針對GJB 548B-2005中2019 芯片剪切強度的失效判據,對測試樣品尺寸( S )和強度( F )的對應關系為:

1) S >4.13 mm 2 , F >50 N;

2)0.32 mm 2 ≤ S ≤4.13 mm 2 , F >12.14 S -0.14(N);

3) S <0.32 mm 2 , F >12 N。

根據以上對應關系,得出試驗樣品與所需最小推力值,具體見表3。

表3 樣品與最小推力值關系

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由表3可知,試驗中樣品的剪切強度均遠遠高于GJB 548B中規定的最小承受應力值。在載體粘接方面,大面積載體粘接的剪切強度可達到最小規定值的10倍以上。且由于導電膠及固化溫度的限制,返修后的粘接強度無法達到第一次裝配的強度,只能達到第一次正常裝配的80%左右的強度。從推拉力后的載體背面觀察,第一次正常裝配后,載體表面膠量較小,小面積的載體尤為明顯,膠量殘留只有10%左右的面積。而返修后的載體,膠量殘留可達到80%以上,分析認為這與返修時對表面進行了清理,增加了表面粗糙度有關。對于MEMS芯片的剪切強度,正常裝配與返修后的芯片剪切強度差距不大,分析認為這與兩種導電膠在這兩種固化溫度下的粘接強度有關。對于芯片的剪切強度,由于芯片材料很脆,因此剪切強度較低,遠遠小于載體的剪切強度。經過一次返修后芯片的剪切強度,比第一次粘接的芯片強度略高,約為10%。分析認為,返修時對表面進行了清理,增加了表面粗糙度,以及低溫長時間的固化可能比正常裝配時的導電膠的粘接強度略高。對上述材料進行多次維修,并進行推拉力測試,結果發現與第一次返修的剪切強度無明顯差別。

2.2 焊料燒結裝配及返修工藝

芯片共晶及載體燒結工藝為:先使用AuSn焊料將芯片共晶到載體上,再使用In80Pb15Ag5焊料將共晶載體燒結到管殼上。芯片共晶及載體燒結后的返修工藝為:加熱臺加熱管殼,待In80Pb15Ag5焊料熔化后將共晶載體取出,重新共晶芯片到載體后,用In80Pb15Ag5焊料焊接共晶載體到管殼上。裝配及返修效果如圖6所示。圖6(a)左側為共晶載體的燒結,右側為載體的燒結。圖6(b)為兩次返修后拆除載體的墊板表面,中間區域為燒結區域。

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圖6 芯片及載體燒結圖

對共晶芯片及載體的推拉力試驗結果見表4。

表4 燒結芯片及載體推拉力測試結果

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可以看出,共晶芯片及共晶載體(正常裝配及返修后)的剪切強度滿足GJB 548B的要求,其中正常裝配下的共晶載體的剪切強度可達到標準值的9倍以上,且第一次返修后,強度可比第一次的剪切強度提高10%左右。但經過多次返修后,從圖6(b)中可看出,墊板表面的附著焊錫出現較為嚴重的氧化現象,表面焊錫發灰白狀,不光亮,難以去除,剪切強度呈明顯下降趨勢,只能達到前期強度的17%左右。

通過上述試驗,得出所選材料的剪切強度為:

In80Pb15Ag5>Au80Sn20>84-1A>H20E>EK-1000。

3 結束語

主要介紹了幾種常用的載體和芯片的裝配和返修工藝,以及選用的幾種燒結及粘接的材料,驗證了粘接或燒結的芯片及載體的剪切強度可完全滿足按照GJB 548方法2019的相關要求,但燒結載體在2次返修后強度會發生明顯下降。對比使用的幾種導電膠及焊料裝配后的剪切強度:In80Pb15Ag5>Au80Sn20>84-1A>H20E>EK-1000。(參考文獻略)

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原文標題:微波組件用載體及芯片的返修工藝研究

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