CN109037087B - 一种毫米波收发组件高温多梯度高焊透率烧结方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种毫米波收发组件高温多梯度高焊透率烧结方法，从影响焊透率的关键因素分析，高温多温度梯度真空烧结工艺技术开展多梯度高焊透率烧结工艺技术研究，在多温度梯度、高焊透率的要求下，设计可操作的烧结工艺方法，能够实现产品的良好的微波接地能力和散热能力，设计方案适用于毫米波收发组件，特别是多温度梯度的产品。

Description

一种毫米波收发组件高温多梯度高焊透率烧结方法

技术领域

本发明属于高温烧结技术领域，涉及一种毫米波收发组件高温多梯度高焊透率烧结方法。

背景技术

微波功率芯片广泛应用于毫米波收发组件中，在微波通信中起到重要作用。微波电路通常频率较高，故芯片的接地状况影响着电路串扰和插入损耗，同时带来了附加电容和震荡。收发组件所用的发射部分的大功率MMIC芯片基体材料GaAs导热差，因此芯片与基板的连接必须要有十分良好的微波接地能力(低欧姆接触)和良好的散热能力。焊透率直接反映了接地效果和散热能力，是整个技术的关键指标。而烧结工艺经X-Ray检测后，发现空洞率低，焊透率高，可靠性高，满足产品要求。而传统烧结工艺存在很多问题：手工焊接空洞率大、多基片多芯片烧结偏移、芯片边缘损伤严重等，同时产品组装过程元器件种类多，需要多个不同温度梯度烧结。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种毫米波收发组件高温多梯度高焊透率烧结方法，能够实现产品良好的微波接地能力和散热能力。

本发明设计了一种毫米波收发组件高温多梯度高焊透率烧结方法，用于实现毫米波收发组件结构腔体的烧结，基于烧结温度由高至低的梯度顺序，针对毫米波收发组件结构腔体，依次完成一体式烧结绝缘子、金锗烧结陶瓷基片、金锡烧结芯片、锡锑烧结4350B基片和锡银铜烧结载板。

作为本发明的一种优选技术方案：所述一体式烧结绝缘子，基于第一梯度温度800℃，采用银铜焊料，将玻璃和玻针烧结在毫米波收发组件结构腔体上。

作为本发明的一种优选技术方案：所述金锗烧结陶瓷基片，在焊接基片尺寸为底板与围框接触面尺寸的90％、烧结炉设定峰值温度为465℃～475℃、带速为40cm/min、N₂保护流量为45L/min的条件下，基于第二梯度温度380℃，采用金锗焊料，将陶瓷基片烧结在毫米波收发组件结构腔体上。

作为本发明的一种优选技术方案：所述金锡烧结芯片，在真空环境下，针对芯片接触位置施加压力，并基于第三梯度温度310℃，按焊料熔融时长为50s-70s，冷却速率1.5℃/s-3℃/s为要求，采用金锡焊料，将芯片烧结在毫米波收发组件结构腔体上。

作为本发明的一种优选技术方案：采用球状针头的钨针夹具，针对金锡烧结芯片接触位置施加压力。

作为本发明的一种优选技术方案：所述锡锑烧结4350B基片，基于针对锡锑烧结4350B基片相对所述毫米波收发组件结构腔体的固定，在真空环境下，基于第四梯度温度275℃，采用锡锑焊料，将锡锑烧结4350B基片烧结在毫米波收发组件结构腔体上。

作为本发明的一种优选技术方案：所述锡银铜烧结载板，首先针对锡银铜烧结载板的两面涂覆助焊剂，然后在真空环境下，基于第五梯度温度240℃，按40s烧结时长，采用锡银铜，将载板烧结在毫米波收发组件结构腔体上。

本发明设计了一种毫米波收发组件高温多梯度高焊透率烧结方法相对现有技术，所带来的有益技术效果是：本发明所设计毫米波收发组件结构腔体高焊透率烧结方法，从影响焊透率的关键因素分析，高温多温度梯度真空烧结工艺技术开展多梯度高焊透率烧结工艺技术研究，在多温度梯度、高焊透率的要求下，设计可操作的烧结工艺方法，能够实现产品的良好的微波接地能力和散热能力，设计方案适用于毫米波收发组件，特别是多温度梯度的产品。

附图说明

图1为毫米波收发组件结构腔体示意图；

图2为本发明中设计中一体式烧结绝缘子步骤的一体式封接结构示意图；

图3为模具装配示意图；

图4为基片烧结工艺技术流程示意图；

图5为芯片共晶工艺技术流程示意图；

图6为4350基片烧结工艺技术流程示意图；

图7为本发明设计一种毫米波收发组件高温多梯度高焊透率烧结方法的流程图。

其中，1.毫米波收发组件结构腔体，2.一体式烧结绝缘子，3.金锗烧结陶瓷基片，4.金锡烧结芯片，5.锡锑烧结4350B基片，6.锡银铜烧结载板，7.第一石墨夹具，8.第二石墨夹具。

具体实施方式

以下，基于附图针对本发明进行详细地说明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

影响焊透率的关键因素主要有镀层状态、烧结压力，镀层状态主要是镀层材料和镀层厚度。

在铝合金(硅铝)或可伐腔体底部表面镀Au、Ag、Ni、Sn-Pb、Cu-Sn-Zn镀层，分别与微带电路板进行大面积焊接，通过X射线检测仪进行基片大面积焊接的焊透率检测，得出合金镀层的可焊性对比。

比较不同合金镀层的铝合金腔体底部与微波电路板大面积焊接的焊透率，如下表1所示。

表1

通过X射线测试仪的进行检测测试效果。研究得出镀金腔体大面积烧结焊透率高，适合该毫米波收发组件的高焊透率烧结。

在镀金厚度试验过程中发现，若镀金层厚度低于3μm，焊接时焊点颗粒度较大，浸润性差；研究得出专用的烧结方法对镀金层厚度设计要求为：3μm～5μm的热沉上，焊点光亮，浸润效果好。

对于烧结压力来说，如下：

(1)压力偏小：该压力下，芯片边缘出现空洞的几率较大；

(2)压力适中：芯片边缘出现空洞的几率较小，焊料沿芯片边缘良好溢出；

(3)压力偏大：焊料大量溢出且不能通过减少焊料来避免，局部焊料偏少，焊料层偏薄。

焊接压力与空洞率有密切关系，适当加压一方面可以使母材与焊料形成密切接触，增大接触面积，有利于接触反应熔化的进行，同时由于焊料受到挤压沿着焊面间隙外溢运动，不仅有利于挤出气体，而且也有利于挤出因受压而破碎的表面氧化物，从而降低空洞率。此外适当的焊接压力能够防止焊料收缩，减少芯片边缘地区空洞缺陷的发生率。但是压力大小必须经试验得出适当值，若压力太小则达不到上述效果，若压力太大则容易造成焊料大量外溢，导致局部焊料偏少，焊料层过薄，不利于工艺控制及焊接可靠性，同时由于压力过大，焊面间隙减小，不利于焊料沿着焊面间隙外溢运动，也容易造成焊接空洞率增大。对于3.5mm*3.3mm*0.1mm的芯片，经正交试验研究得出对芯片施加压力为0.01N/mm2-0.03N/mm2范围内焊接空洞率较低，焊料沿芯片边缘良好溢出，焊接效果良好。

基于上述分析，本发明设计了一种毫米波收发组件高温多梯度高焊透率烧结方法，用于实现毫米波收发组件结构腔体的烧结，如图1所示为毫米波收发组件结构腔体示意图，实际应用当中，基于烧结温度由高至低的梯度顺序，针对毫米波收发组件结构腔体1，依次完成一体式烧结绝缘子2、金锗烧结陶瓷基片3、金锡烧结芯片4、锡锑烧结4350B基片5和锡银铜烧结载板6。

实际应用中，如图7所示，对于基于烧结温度由高至低的梯度顺序，针对毫米波收发组件结构腔体1，依次完成一体式烧结绝缘子2、金锗烧结陶瓷基片3、金锡烧结芯片4、锡锑烧结4350B基片5和锡银铜烧结载板6，具体如下：

如图2所示，首先基于第一梯度温度800℃，执行一体式烧结绝缘子2，采用银铜焊料，将玻璃和玻针烧结在毫米波收发组件结构腔体1上。

上述第一梯度即一体式烧结绝缘子2方法，是将玻璃直接与腔体封接形成一体。腔体是可伐材质，牌号4J29，玻璃材料为微波用玻璃，玻针和腔体之间的定位限位采用耐高温高纯度石墨夹具，通过高温烧结方式完成。如图3所示，石墨夹具分为第一石墨夹具7和第二石墨夹具8构成，第二石墨夹具8以腔壁为基准对玻针进行定位限位，第二石墨夹具8是在第一石墨夹具7装配完成后对其限位。

接着，基于第二梯度温度380℃，执行金锗烧结陶瓷基片3，在焊接基片尺寸为底板与围框接触面尺寸的90％、烧结炉设定峰值温度为465℃～475℃、带速为40cm/min、N2保护流量为45L/min的条件下，采用金锗焊料，将陶瓷基片烧结在毫米波收发组件结构腔体1上。

陶瓷基片通常是用薄膜工艺在陶瓷片上制作电路形成的，基片的焊接作为毫米波收发组件组装的重要工艺环节，其焊透率直接影响电路模块的接地效果和组件电性能，而提高焊透率是满足毫米波电路的电、热性能参数的基本要求。本文通过研究并优化微带电路焊接表面的镀层设计状态来保证烧结过程总焊料的浸润性、设计压力适中的专用石墨工装夹具控制焊接压力，为实现微带基片焊透率≥92％的可靠焊接，本发明从如下两个方面进行工艺技术控制。

工艺全过程控制，如图4所示，基板烧结工艺的重点之一是专用石墨夹具装夹基板工序，通过设计多模块共压石墨工装，同时控制焊接压力，有效提高真空共晶烧结时微带基板的焊透率指标。其他工序的关键点主要是防护措施，避免污染腔体和基板的表面。清洗前腔体需用手术刀打净毛刺，再用洗耳球打磨毛刺形成的杂质，应多次实验后确定的清洗工序，清洗完成后的腔体表面无油污、杂质等残留物；将装夹好的微带基板、金锗焊料、专用石墨夹具放入真空共晶烧结炉中进行烧结。

真空烧结工艺曲线，微带板真空烧结工艺曲线应根据陶瓷热性能来设计，选用缓慢加热、缓慢冷却过程的温度曲线。通过分析得出金锗焊片尺寸、烧结炉实际峰值温度、带速和N2保护流量4个影响因素是微带板焊透率高低关键影响因素；项目开展将金锗焊片尺寸、烧结炉设定峰值温度、带速和N2保护流量作为4因子的2水平DOE试验,得到微带板真空烧结工艺参数:金锗焊片尺寸为底板与围框接触面尺寸的90％,烧结炉峰值温度为465℃,带速为40cm/min,N2保护流量为45L/min，实现焊透率高达92％技术指标。

紧接着，基于第三梯度温度310℃，执行金锡烧结芯片4，在真空环境下，采用石墨夹具和专用夹具-球状针头的钨针夹具，针对芯片接触位置施加压力，并按焊料熔融时长为50s-70s，冷却速率1.5℃/s-3℃/s为要求，采用金锡焊料，将芯片烧结在毫米波收发组件结构腔体1上。

在微波频率高端，毫米波或微波/毫米波大功率时，由于导电胶粘接电阻率大，导热系数大、造成微波损耗大、结温高，其功率性能、寿命及可靠性等方面将受到影响。共晶焊接的热性能、电性能及机械性能大大优于导电胶粘接。因此在频段较高、功率较大、可靠性要求较高的情况下，如图5所示，本发明采用共晶焊接工艺进行芯片装配，芯片共晶工艺技术流程。

目前广泛使用的毫米波功率芯片(裸芯片)一般为GaAs基材，尺寸较小，重量较轻，焊接时很容易出现焊料的表面张力将芯片“浮起”，焊料向芯片中间收缩，使芯片的四周不能充分润湿。因此必须对裸芯片施加一定压力，但是直接接触裸芯片表面将造成芯片表面”空气桥“电路的损坏，所以必须设计出专用夹具，解决微波芯片空气桥避让问题同时提供芯片足够的焊接压力，以打破焊接熔融时的张力作用。此外，在进行多芯片组件共晶时，由于芯片尺寸越来越小，数量越来越多，就必须采用特制的多模块/芯片的共压石墨工装来完成同时共晶烧结。

本发明所述夹具设计的关键在于如何解决微波芯片空气桥避让问题同时提供芯片足够的压力，由于芯片表面电路部分不可触碰，故我们选择球状针头的钨针对芯片上可接触位置(如焊盘、无电路区域)施加压力，这样既可以避让芯片上不可触碰部分，又可以通过增减钨针数量来改变对芯片上表面施加的压力。功率芯片的焊接不同于其他焊接，除考虑如何获得剪切强度高、空洞率低的焊接效果，还必须综合考虑芯片的最高耐受温度及对应时长，为此在进行焊接温度曲线设计时应重点注意一下四个参数。

①最高焊接温度

为获得好的焊接质量，焊接温度要高于焊料合金的共晶温度30℃-40℃，但GaAs基毫米波功率芯片最高耐受温度一般为300℃本发明设置最高焊接温度一般为290℃-305℃，时间25s～30s。

②熔融状态时间

熔融状态时间及最高焊接温度直接决定了焊料在焊接过程中与被焊接面反应生成金属间化合物的厚度，最高焊接温度越高，熔融时间越长，金属间化合物越厚；而金属间化合物厚度与焊点剪切强度密切相关，金属间化合物的厚度在合适范围内是剪切强度越大，且随厚度变化不大，一旦金属间化合物的厚度超过该合理范围，则剪切强度会急剧下降，因此本发明通过不同熔融时间下焊接的剪切强度来确定合适的金属间化合物的厚度范围及熔融状态时间范围。

③熔融状态时真空度

为降低氧化及因残留气体造成的空洞缺陷，可在焊接过程中进行抽真空处理，但全工艺过程真空环境会降低加热速率，造成工艺过程时间长，温度不易控制，为此本发明采取全过程高纯氮环境，熔融阶段达到最高焊接温度后进行抽真空处理，也可达到相同的效果，减少空洞产生。

④冷却速率

焊接完成后，应尽快冷却，这样可使结晶细腻、获得敷形好、接触角小的优良焊点。

基于上述考虑，本发明对于焊接曲线的设计，设置升温区、保温区、焊接区、冷却区，同时，根据需要在各段采取抽真空，充高纯氮等工艺手段。前期加热开始前对炉内进行不低于两次的抽真空然后充入高纯氮处理，纯化炉内气氛，降低氧分值；升温及保温区要加热均匀，使加热板与热沉温差尽量小，且保温区结束时，温度接近焊料熔点(270℃-275℃)；最高烧结温度(300℃-305℃)，焊料熔融时间为50s-70s，熔融阶段达到最高温度后抽真空至100mbar左右，冷却速率1.5-3℃/s。

真空条件下使用球状针头的钨针夹具施压和专用石墨夹具定位限位，实际峰值温度为300-305℃，焊料熔化时间为50-70s的工艺曲线烧结，芯片焊透率达到92％。

然后，如图6所示4350基片烧结工艺技术流程示意图，基于第四梯度温度275℃，执行锡锑烧结4350B基片5，基于针对4350B基片相对所述毫米波收发组件结构腔体1的固定，在真空环境下，采用锡锑焊料，将4350B基片烧结在毫米波收发组件结构腔体1上。

大面积基片装配载体上主要有导电胶粘接和烧结两种。导电胶粘接工艺简单、成本低等优点，但在微波高频电路中，粘接热阻大、温度高、微波损耗大，另外基片粘接固化后需要低温回流焊，温度达到200℃，导电胶固化再加热，其热应力会导致导电胶开裂，基片翘曲。而锡锑共晶焊接的热性能、电性能及机械性能大大优于导电胶粘接，烧结温度275℃，熔化温度240-250℃，回流焊接时不会使前道工序器件熔化，造成破坏性影响。

铝合金压块设计，烧结基片时的一般顺序为将锡锑焊料片放在腔体或者载板上，尺寸与基片一致，再依次放入基片和铝合金压块，最后用螺钉固定压块，通过螺钉方式施加压力，力矩为1.1N·m±0.05N·m。

真空烧结温度曲线，通过大量试验分析并优化工艺温度曲线：温度为220℃设置保温区，保温时间2min，峰值温度设置为275℃，熔化温度以上时间控制在50-60s。

通过上述方法：峰值温度275℃，熔化温度时间50-60s，力矩1.1N·m±0.05N·m烧结的4350B基片，焊透率达到93％。

最后，基于第五梯度温度240℃，执行锡银铜烧结载板6，首先针对载板的两面涂覆助焊剂，然后在真空环境下，按40s烧结时长，采用锡银铜，将载板烧结在毫米波收发组件结构腔体1上。

SAC305烧结载板是在真空环境下使用SAC305焊料片将可伐或者钼铜载板烧结在腔体上。焊料片表面需要涂覆松香基助焊剂，双面涂覆。助焊剂可以去除焊料片、基片表面氧化物，减小焊料润湿角，有利于焊料在腔体上铺展，同时助焊剂可以在待烧结面和焊料表面形成一层保护膜，防止再次氧化。

经过大量试验分析得出，真空条件下，可伐或者钼铜载板自身重量可以满足烧结所需要的压力，因此影响真空烧结载板空洞率关键因素是温度曲线。SAC305焊料的熔化温度是217℃，峰值温度为240℃。温度曲线为预热温度180℃，保温2min,峰值温度240℃，烧结时间40s，载板烧结焊透率达到90％。

本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。

需要说明的是，以上说明仅是本发明的优选实施方式，应当理解，对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明技术构思的前提下还可以做出若干改变和改进，这些都包括在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种毫米波收发组件高温多梯度高焊透率烧结方法，用于实现毫米波收发组件结构腔体的烧结，其特征在于：基于烧结温度由高至低的梯度顺序，针对毫米波收发组件结构腔体(1)，依次完成一体式烧结绝缘子(2)、金锗烧结陶瓷基片(3)、金锡烧结芯片(4)、锡锑烧结4350B基片(5)和锡银铜烧结载板(6)；其中，在执行烧结的过程中，采用球状针头的钨针夹具，针对金锡烧结芯片(4)接触位置施加压力。

2.根据权利要求1所述的一种毫米波收发组件高温多梯度高焊透率烧结方法，其特征在于：所述一体式烧结绝缘子(2)，基于第一梯度温度800℃，采用银铜焊料，将玻璃和玻针烧结在毫米波收发组件结构腔体(1)上。

3.根据权利要求1所述的一种毫米波收发组件高温多梯度高焊透率烧结方法，其特征在于：所述金锗烧结陶瓷基片(3)，在焊接基片尺寸为底板与围框接触面尺寸的90％、烧结炉设定峰值温度为465℃～475℃、带速为40cm/min、N₂保护流量为45L/min的条件下，基于第二梯度温度380℃，采用金锗焊料，将陶瓷基片烧结在毫米波收发组件结构腔体上。

4.根据权利要求1所述的一种毫米波收发组件高温多梯度高焊透率烧结方法，其特征在于：所述金锡烧结芯片(4)，在真空环境下，针对芯片接触位置施加压力，并基于第三梯度温度310℃，按焊料熔融时长为50s-70s，冷却速率1.5℃/s-3℃/s为要求，采用金锡焊料，将芯片烧结在毫米波收发组件结构腔体上。

5.根据权利要求1所述的一种毫米波收发组件高温多梯度高焊透率烧结方法，其特征在于：所述锡锑烧结4350B基片(5)，基于针对锡锑烧结4350B基片(5)相对所述毫米波收发组件结构腔体的固定，在真空环境下，基于第四梯度温度275℃，采用锡锑焊料，将锡锑烧结4350B基片(5)烧结在毫米波收发组件结构腔体(1)上。

6.根据权利要求1所述的一种毫米波收发组件高温多梯度高焊透率烧结方法，其特征在于：所述锡银铜烧结载板(6)，首先针对锡银铜烧结载板(6)的两面涂覆助焊剂，然后在真空环境下，基于第五梯度温度240℃，按40s烧结时长，采用锡银铜，将载板烧结在毫米波收发组件结构腔体(1)上。

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