几种常用的载体和芯片的装配和返修工艺

摘要：

微波组件的调试工艺特殊复杂，尤其在微组装部分，载体及芯片会频繁地返修更换。主要介绍了几种常用的载体和芯片的装配及返修工艺，验证了粘接或烧结的芯片及载体的剪切强度是否满足GJB548中方法2019的相关要求，对比了使用的几种导电胶及焊料装配后的剪切强度。结果表明：使用导电胶粘接的芯片及载体，可反复进行返修，剪切强度无明显变化；采用烧结工艺的芯片及载体，可满足一次返修，超过两次返修后，焊接表面氧化严重，剪切强度有明显下降。

引言

随着微波多芯片组件在现代军民用领域应用的日益扩大，微波组件不断向小型化、高密度、高可靠和高性能的方向发展，对微波组件的装配及调试工艺提出了更高的要求。目前，大量的微波组件采用混装工艺，既有印制板或软基板的焊接、大量表贴器件及封装模块的回流焊接、绝缘子连接器的电气互联等电装工艺，又有芯片及片式电容的粘接或共晶、载体（或称为垫片、热沉、衬底等）或共晶载体的粘接或低温烧结、金丝（带）键合和芯片倒装焊接等微组装工艺，同时大量采用了激光封焊等气密封装技术，具有多个温度梯度的烧结或粘接。大量密集芯片及载体的装配，微组装部分容易受到电装焊接的污染等特点，同时还存在难以察觉的失效隐患故障，试验条件严苛。因此在微波组件装配与调试中设立了自检、互检、专检的工位，在工艺设计时充分考虑温度梯度的可实施性及返修的可行性，在调试时采用多种手段，严格按照相关程序文件进行。

针对微波组件特殊复杂的维修工艺，文中主要从微组装的芯片及载体的维修工艺入手，研究其装配及返修工艺，验证粘接或烧结的芯片及载体的剪切强度是否满足GJB 548中方法2019的相关要求，并对比使用的几种导电胶及焊料装配后的剪切强度。

1 试验工艺与设备

1.1 装配及检测工艺设备

载体及芯片的粘接使用手动点胶机。点胶时间可调，范围为0.008~99.999 s。点胶压力可调，范围为0~0.69 MPa。配件为：5 ml针筒+27G透明色针头。使用参数为：时间0.1~3.0 s，压力0.21~0.28 MPa。

载体及芯片的共晶及低温烧结使用共晶焊接机。低温烧结时加热温度为160 ℃，芯片共晶时加热温度为280 ℃。

使用剪切力测试仪测量粘接或烧结的载体及芯片的剪切强度。

1.2 装配及返修用材料及工艺 对于载体的粘接，使用导电胶84-1A，固化参数为：170 ℃，30 min。对于芯片的粘接，使用导电胶H20E，固化参数为：150 ℃，30 min。

对于芯片的共晶焊接，使用Au80Sn20焊料进行焊接；对于载体或共晶载体的低温焊接，使用In80Pb15Ag5或Sn43Pb43Bi14材料。根据管壳大小设定加热温度，一般为焊料熔点上调10~20 ℃。

对于粘接的芯片及载体的返修，由于管壳中的温度梯度的限制，经过前期试验进行研究，使用H20E进行粘接，固化参数为100 ℃，150 min。

对于共晶的芯片进行返修时，一般将芯片及共晶的载体一并进行铲除，后使用H20E进行粘接，固化参数为100 ℃，150 min。

对于共晶载体的低温烧结，其返修工艺为加热到原先温度后，待焊料熔化后取出，并使用新的共晶载体进行替换。若存在不能承受此加热温度的器件或模块时，需在返修前将这些先拆除后再进行返修。

选用的导电胶有84-1A、H20E、EK1000三种常用导电胶；选用的焊料为Au80Sn20、In80Pb15Ag5；选用的载体有可伐、钼铜载体（Mo80Cu20）；选用的芯片有HMC462（GaAs材料）、3590、Si基材料的微机电系统（MEMS）和芯片电容（陶瓷材料）。为保证热膨胀系数尽量接近的原则，Si基芯片使用可伐合金载体，而GaAs、陶瓷的芯片使用钼铜载体。材料及相关参数见表1。

表1 导电胶/焊料/芯片/载体参数

2 试验结果及分析

2.1 导电胶粘接装配及返修工艺

使用20 mm×20 mm×2 mm的铝合金垫块模拟管壳进行试验，垫块表面镀银处理。使用手动点胶机进行载体的粘接，点胶量及粘接效果如图1所示。

图1 载体粘接图

对于需要载体安装的芯片，其粘接工艺为先将载体粘接到管壳内，后粘接芯片。对于无需装配载体的芯片，如MEMS滤波器，由于其芯片的特殊性，直接将芯片粘接到管壳内，为保证其散热性能，使用EK1000导电胶进行粘接，粘接效果如图2所示。

图2 MEMS粘接效果图

导电胶固化完成后，使用剪切力测试仪测量其剪切强度。测试方法及结果如图3所示。将推刀贴近但不接触垫块及被测样品，后进行测量，待样品被推刀推断后自动读出数据。

图3 剪切力测试

对载体及芯片完成推拉力试验后，将垫板上残余的导电胶拆除平整后，重新使用H20E导电胶粘接，固化参数为100 ℃，150 min。铲除后的垫板表面如图4所示。

图4 去除导电胶后的垫板表面

重新粘接固化完成后，使用剪切力测试仪进行测量其剪切强度。测试结果如图5所示。推拉力试验测试的数据见表2。

图5 返修后载体及芯片背面 表2 推拉力测试结果

针对GJB 548B-2005中2019 芯片剪切强度的失效判据，对测试样品尺寸（ S ）和强度（ F ）的对应关系为：

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。

根据以上对应关系，得出试验样品与所需最小推力值，具体见表3。

表3 样品与最小推力值关系

由表3可知，试验中样品的剪切强度均远远高于GJB 548B中规定的最小承受应力值。在载体粘接方面，大面积载体粘接的剪切强度可达到最小规定值的10倍以上。且由于导电胶及固化温度的限制，返修后的粘接强度无法达到第一次装配的强度，只能达到第一次正常装配的80%左右的强度。从推拉力后的载体背面观察，第一次正常装配后，载体表面胶量较小，小面积的载体尤为明显，胶量残留只有10%左右的面积。而返修后的载体，胶量残留可达到80%以上，分析认为这与返修时对表面进行了清理，增加了表面粗糙度有关。对于MEMS芯片的剪切强度，正常装配与返修后的芯片剪切强度差距不大，分析认为这与两种导电胶在这两种固化温度下的粘接强度有关。对于芯片的剪切强度，由于芯片材料很脆，因此剪切强度较低，远远小于载体的剪切强度。经过一次返修后芯片的剪切强度，比第一次粘接的芯片强度略高，约为10%。分析认为，返修时对表面进行了清理，增加了表面粗糙度，以及低温长时间的固化可能比正常装配时的导电胶的粘接强度略高。对上述材料进行多次维修，并进行推拉力测试，结果发现与第一次返修的剪切强度无明显差别。

2.2 焊料烧结装配及返修工艺

芯片共晶及载体烧结工艺为：先使用AuSn焊料将芯片共晶到载体上，再使用In80Pb15Ag5焊料将共晶载体烧结到管壳上。芯片共晶及载体烧结后的返修工艺为：加热台加热管壳，待In80Pb15Ag5焊料熔化后将共晶载体取出，重新共晶芯片到载体后，用In80Pb15Ag5焊料焊接共晶载体到管壳上。装配及返修效果如图6所示。图6（a）左侧为共晶载体的烧结，右侧为载体的烧结。图6（b）为两次返修后拆除载体的垫板表面，中间区域为烧结区域。

图6 芯片及载体烧结图

对共晶芯片及载体的推拉力试验结果见表4。

表4 烧结芯片及载体推拉力测试结果

可以看出，共晶芯片及共晶载体（正常装配及返修后）的剪切强度满足GJB 548B的要求，其中正常装配下的共晶载体的剪切强度可达到标准值的9倍以上，且第一次返修后，强度可比第一次的剪切强度提高10%左右。但经过多次返修后，从图6(b)中可看出，垫板表面的附着焊锡出现较为严重的氧化现象，表面焊锡发灰白状，不光亮，难以去除，剪切强度呈明显下降趋势，只能达到前期强度的17%左右。

通过上述试验，得出所选材料的剪切强度为：

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

3 结束语

主要介绍了几种常用的载体和芯片的装配和返修工艺，以及选用的几种烧结及粘接的材料，验证了粘接或烧结的芯片及载体的剪切强度可完全满足按照GJB 548方法2019的相关要求，但烧结载体在2次返修后强度会发生明显下降。对比使用的几种导电胶及焊料装配后的剪切强度：In80Pb15Ag5＞Au80Sn20＞84-1A＞H20E＞EK-1000。（参考文献略）