真空回流焊之正负压焊接工艺详解

随着半导体元器件集成度持续提升，芯片封装尺寸不断缩小，单颗器件承载的功能越来越多。尺寸压缩之后带来一系列工艺难题，芯片底部局部发热量大，信号传输容易出现衰减，不少高功率器件甚至会出现局部温度接近焊料熔点的情况。行业里部分厂商尝试加装散热片、水冷结构改善散热，或是选用金锡、高铅这类高熔点焊料，但前者改善效果有限，后者又会对器件本身的耐高温能力提出严苛要求。还有企业采用常规真空回流焊加工，可成品焊点空洞率常常维持在 3% 至 10%，部分工况下数值更高，难以满足高功率、高密度芯片的生产标准，上海鉴龙在配套自动化设备方案评估时，也会关注这类焊接空洞带来的产品可靠性隐患。

我们先来看传统真空回流焊的工艺特点，以无铅 305 焊料搭配甲酸气氛为例，整套流程依次为抽真空，充入氮气或者甲酸，维持 50000PA 到 100000PA 负压环境，随后升温，升温速率控制在每秒 1.5 至 3 摄氏度，升温至 160 到 180 摄氏度进行恒温，再继续升温到焊料熔点 217 摄氏度，恒温 60 至 120 秒，继续抬升温度至 245 到 260 摄氏度，恒温 0 至 10 秒，之后再次抽真空，真空度维持 1 至 100PA，耗时 30 至 50 秒，再提升至 0.1PA，耗时 50 至 100 秒，时长会根据真空舱体积调整，保持恒温 0 到 100 秒，完成冷却工序，温度降至 200 摄氏度直至常温，充氮气恢复常压后取出工件。这套工艺设备结构简单，生产成本偏低，但存在明显短板。在 0.1 至 100000PA 负压环境下，焊料内部形成的气泡很难自行破裂，气泡面积越大，向外排出的阻力就越强，即便延长抽真空时间，大气泡也仅仅会小幅移动，很难彻底消除。长时间维持高温真空环境，还会带来新问题，真空环境受热会加速焊料内部助焊剂挥发，助焊成分还没发挥作用就提前失效，焊料熔化温度随之上升。想要把气泡排出去，就需要更高温度和更长的保温时间，一旦超出器件耐受范围，极易引发焊件损坏。传统工艺使用甲酸、氢气这类还原性可燃气体时，风险同样突出，气体存在爆燃隐患，爆燃瞬间产生的高温会直接损伤芯片，尾气处理不当还会污染真空泵油，缩短设备使用寿命，尾气泄漏到车间内更是重大安全隐患。

针对老式真空回流焊工艺存在的诸多局限，行业研发出真空回流焊正负压焊接工艺，依旧以无铅焊料搭配甲酸气氛作为参考。整套工艺流程为抽真空，充入氮气或者甲酸，建立 1000PA 至 500000PA 正压环境，这里大气压基准为 100000PA，1000PA 正压对应绝压 101000PA，500000PA 正压对应绝压 600000PA。升温阶段保持每秒 1.5 至 3 摄氏度速率，升温至 160 到 180 摄氏度恒温，继续升温到焊料熔点 217 摄氏度，恒温 60 至 120 秒，继续升温至 245 到 260 摄氏度，恒温 0 至 10 秒，之后进行抽真空，真空度 1 至 100PA 维持 30 至 50 秒，0.1PA 维持 50 至 100 秒，恒温 0 至 100 秒，冷却至 200 摄氏度直至常温，充氮气恢复常压后取件。这套工艺上手门槛不高，普通制程人员也能够操作。在原有温度曲线基础上增加 20 至 60 秒抽真空时长，5*5 规格芯片焊接，采用低温焊片或者焊膏，空洞率可以控制在 1% 以内，无铅焊料焊接空洞率可控制在 2% 以内，继续优化排气泡时间，空洞率还有进一步下探空间，残留气泡大多是细小碎气泡，不会出现大面积大气泡。原理可以借助气球现象理解，焊料在高于标准大气压的正压环境熔化，气泡内部压力和舱内环境压力保持一致，后续快速抽真空，舱内压力骤降到 0.1 至 100PA，巨大压差会直接撕裂焊料内部气泡，从根源减少大气泡生成。不过这项工艺需要匹配对应的真空回流焊炉才能落地，设备结构相对复杂，采购和使用成本会更高。这项新工艺还需要更多行业从业者一起交流打磨，持续迭代工艺，推动国产焊接设备技术水平提升。