电子工艺技术 Electronics Process Technology 201 7年7月 第38卷第4期 de,i:10.14176/j.issn.100I一3474.20I7.04.005 扫描干涉表征铝硅合金和LTCC焊接翘曲度研究 吴伟.刘建 ('l'lq电,f-F|技集I卅公rd第!I 八研究所,安徽合肥230088) 摘要:以Al50si50和A173Si27两种合金焊接I FCC基板 的翘fmi 为作为研究埘象,介 J .种怏述准确 ,埘 测量集成电路元器件翘曲度的技术疗法一扫描干涉技术 运用该疗法埘钒矾合会 板的翘lII1 {}进 r }{J结论:扫捕十涉技术能快速有效地对销硅合金焊接前后的翘 悭进行汁算和判定;AISi 比r两种钒硅合金焊接后的翘曲度,分析了翘l_l}j度产生的原因,说明r翘『fI1度--J#i"-接钉透 之川的父系 未 接的翘ilI{艘 为0.036%,AISOSi50合金焊接1/FCC后的翘曲度为0.216%,A173Si27合金焊接I T(:(: 的 }I{I 大;焊接后的翘ff}j度越大,焊接钎透牢越低 天键渊:扫描十涉技术; 硅合金;焊接;翘f¨1度 lIll矧分类 :TN605文献标识码:A 文章编 :1O01—3474(2017)04—0200—04 l().380%; 合金与LTCC ̄:板的热膨胀系数的差异导致丫锅硅合金 板变形翘『f}1,热膨胀系数蓐 越人,Jl 扳的翘f{} 越 lWarpage Study of AISi Alloy and LTCC After Soldering With Scanning Interference Technology WU Wei.LIU Jianjun (The 38th Research Institute of CETC.Hefei 230088,China I Abstract:The warpage of AI50Si50 and AI73Si27 alloys was researched after soldering with LTCC substrate-Scanning interferometry was used to characterize the warpage of AISi alloys substrateThe .warpage of the AlSi alloys after soldering were compared.Analyzed the reason caused warpage and expound the relationship between warpage and solder penetration rateThe conclusions iS that scanning .interferometry can determine and calculate the warpage of the AISi alloys quickly and effectivelyThe .warpage of AISi alloy before soldering is 0.036%.AI50Si50 alloy is 0216%after soldering with LTCC .substrate,AI73Si27 alloy is 0.380%after solderingThe thermal expansion coefficient differences between .AlSi alloys and LTCC substrate lead to warpage of AISi alloy substrateThe greater the difference is.the .larger substrate warpage IS.T he greater the warpage iS after solderingthe Iower the soldering penetration .rate iS Key Words:scanning interferometry;AISi alloys;soldering;warpage Document Code:A A ̄icle ID:1001-3474(2017)04.0200.04 存现代电了。制造、l 中,电 元器件的制造过程 和集成电路的封装过程,不 避免地要使用到化学 加r、机械)j1]f-、热加上等』J【】] 成 、农I 处理等 T 制造手段。 土寸装过 板,小剑{果芯H的小同种类 或焊接等不同的1 岂,I J ‘ ,k.9J 利,炎) 的j 之 使… -i ̄t.¥t什 此 I 作者简介:吴伟(1 986一).男,博士,毕业于北京航空航天大学,工程师基金项目:装备预先研究基金项目(项目编号:414230701 15)。 ,主要从事微电路组装工艺研究工作 第38卷第4期 吴伟,等:扫描干涉表征铝硅合金和LTcc焊接翘曲度研究 z01 的制造过程和集成电路的封装过程巾,将人量的机 械应力、温度 力等引入电子元器件,造成元器件的 变形失效。进 重影响了集成电路的功能实现。 随行 f 、Il,的飞速发展,人规模 成电路巾 的器件的微小 化是发展的必然趋势 对高密度器 件进行局邮r l 测量器件变形是无法满足制造需求 又足明5 无法实施的。通常的检测设备无法快速直 接地对【i『J将封装和封装完成的元器件中的残余应力 进行检测 。但是,应力的释放途径是材料的变 形,可以通过测 元器件的变形翘【ilI度可以判断该 7 器件足禽 变形,从而判定是 为失效件。囚 此,急需能尤损检测和表征电lr‘元器件翘【出度的柃 测翘曲度的力‘法,高效快速地实现对集成liz路生 Jtl物料和集成电路产r 的失效变形的检测及判定, 从而提高 r],的成品率和可靠性。 随荷航 、航大和军事,1j途的微波组件向着多 平台、人功 、轻型化、小型化、高密度组装及高 性能ft方向发 。对电子封装利’料提出r更高的要 求,传统电 封装材{-} ̄HKovar、W—Q・羽lMo—Cu 等导热系数低、密度高尤法满足微波组件敞热和减 巫的需求…。 ;合会热膨胀系数为20 X 10- ̄'/K,远远 大于芯片J 采丌]n勺si和GaAs的热膨胀系数(4×10~~ 5×1f】 /K)。 Ii I合金作为新兴的电了封装材料,具 有质量轻( 度小于2.7 g/cm )、热膨胀系数低和热 导率 等优点,近几年来…・_^足电了‘封装领域的研 究热点。 钒 it 会作为封装材料,经常会与陶瓷基板或 扦微带板进行焊接,其焊后平整度和钎透牢是实现 微波电 ̄lt'lu。标的关键 素。因此,本文【}I以铝硅合 金和LTcc焊接J、 力变形行为为研究对象,介缁_r扫 描T涉技术埘焊接前后的铝硅合仑的翘曲变形的表 it技术, 研究 翘曲变形的形成过程以及翘曲度 J ̄t:透牢 抒的 联件。 1翘曲度的表征 铝娃合仑ltI的砷含量不同,常刚成分合金 为A13I)Si70、Al4()Si r1(】、A150Si50、A158Si42、 A173Si27。ilI于ll、 si的锚硅合金强度较低,复杂外形 7[I_fl:的机』Ju成 低,所以水文中采刖我所较为常 用的A15()si5(1 Al73si27两种合会作为研究对象,l其 热膨胀系数分别为1 1×… /K ̄:I117 X 10。‘’/K 、 ffl丁A151)si5()和A173si27两种合会的热膨胀系数 与FerroA6M LTCC基板的热膨胀系数7×1() /K有所 荠异,可以颅 焊接宄成后二者_占15会有所变形,这 样给 焊接后板材的翘 度造成网难。闵此我们 没计 合金扳材khLTCC綦板币肖人,采用扫描干涉 仪仆接触测量铝硅合金板材边缘的翘曲度来表征 接J)i_『后变Jf5:遣的变化,如冈1所示。 -_一。.一 == :卜一铝: 硅基板 图1 扫描干涉仪对铝硅基板翘曲度测量示意图 根据参考文献【2】中的翘曲度概念,本文定义钒 石丰合会的翘曲度,具体定义公式l女l1f下.: y=hIL (1) 式[{J: 为铝硅合金板材特定 分的翘曲度; 为翘川I l,即制品评价门标与参考对象之间的最大 趴离;上为 价目标在特定办向的投影K度。 采川扫描干涉法测量翘曲度的 理是:该方法 通过垂A扣描位 与1一涉条纹的强度的变化关系求 得零光 芹的位置,以确定被测物体表面的相对高 度即翘曲上L},通过步进扫描和自动对焦,进而恢复 其形貌,获得在扫描范 内翘 埘最大值由。测谜示 意图女l】M2所示。 重方 图2扫描干涉仪应用于翘曲厦测量原理图 2实验结果分析 2.1翘曲度分析 本义中采用了三种实验样r ,分别为:AISi俞 金板材样品,A150Si50合金焊接LTCC后的样 , A173Si27合金焊接LTCC后的样I 每种样品测量了 两个样 f,,并月.分别对两个样 的k边和短边都进 行r翘1…l}测量。扫描十涉仪对AI5()Si50合会焊接 LTCC后样 u】的长边和短边进行步进 扫后形成的罔 片如 3所 ,图中的颜色分布从 色到深蓝色,代 表样 表 与基准面的高度差变化从高到低。从 3 我们能消楚地看到样品的长边和短边的翘曲变化规 律基本卞¨川,都足两端高度芹低,I…司高度差高, 最大位即翘曲量都存板材中间附近。图3(c)为统 计YAlSi合仑板材样f 1、AI50Si50介金焊接LTCC后 的样『 、A173Si27合金焊接LTCC后的样品长边雨1短 边翘【{i I的数据。从图中可以石出,三种样『n]的长 电子工艺技术 Electronics Process Technology 边和 边翘曲 变化不大,A1Si合金板材米料样品 2017年7月 为11 X 10-3/K,二者棚差4 X 10。。 /K,『f1j用Si质 分 数为27%的铝硅合金焊接时,热膨胀系数蔗达到_r 10×1()一/K。据文献报道,原则上热膨胀系数差大, 2 X 10 /K时,就会出现热膨胀失配现象。 。。 加热和 冷却过程中,铝硅合金基板) ̄rlLTCC基板的受热及变 形过程描述如下:加热时,铝硅合金基板放在热源 上,LTCC基板放在铝硅合金基板上,二者之 有金 锡焊料。在加热时,由于有温度梯度的关系,靠近 的翘【HI 数值最低也较为稳定,说明基材质量好, 1 1.3~1 1 4 m;A173Si27合金焊接LTCC后的样品的 翘I如 最人,11().1~130.1 tx 111;AI50Si50俞金焊接 LTCC后的样品翘曲量较低,56.【)~84.4 111。 E £ 蚓 钼 鼎 i/ 一\ 热源的铝硅合金基板的底面最先开始A月t黟*/胀,膨胀量 大于顶面,造成铝硅合金 上弯曲,LTCC 板有 0 5 10 1 5 20 25 30 33 长边 /mm (a)长边的翘曲量测试图 E E C C 嗡《 钼 钼 鼎 0 5 1o 15 20 25 3O 短边 /mm 翘曲位置 (b)短边的翘曲量测试图 (c)翘曲量数据统计 图3铝硅基板的翘曲量测试 通过} 述对三种样品的翘曲埴的测量,结合公 式(1)町以对样 ^的翘曲度进行计算。计算的结 女【 j4所永,A1Si俞金板材来料样品的翘曲度为 3.5×1()一~3.6×1(),A15{}Si5()合金焊接LTCC后的 样 的翘曲度为1.75 X 10~~2.63 X 10~.A173Si27 合金焊接LTcc后的样品翘曲度为3 05×1 0~~ 4.07×I()’ .把氰利 铝硅合金的两个样品翘曲度数 捌和、F均翘曲度数据整理后,我们发现j种铝硅合 金的、 均翘f}}]度分别为A1Si合会未焊接3 60×10~, A15{)si5()合金焊接LTCC后2.16×1( 。A173Si27合金 接LTCC 3.80 X 1 0。。 。。 b 一 × 鼎 样 1 样品1麓曲样 2 样品2短地 翘曲位置 图4铝硅基板翘曲度数据统计 从j 均翘曲度的数据来看,A150Si50合金焊接 LTCC后足未焊接的6倍,而A173Si27合金焊接LTCC 后n勺翘『f】1度增加得更多,是未焊接的10.5倍。分析 ,我们认为卡要还是热膨胀不 配的问题。 FerroA6M LTCC基板的热膨胀系数为7×10/K,在 销仆俞会中, si质量分数在50%时,其热膨胀系数 样的趋势,此时两种基板不受相互之 的约束;当 焊料完全熔化后,热源撤出,温度梯度 反,导致 铝硅合金向下弯曲,LTCC基板趋势卡¨川,当焊料刚 化有约束时,由于二者热膨胀系数的 异导致r膨 胀变形量的差异,从 产生了拉应力,使得锚硅合 金基板变形翘曲 l。热膨胀系数 _异越大,綦板的 翘曲度越大,这个分析结沦与前面的实验结果相符 合。LTCC 板和铝硅合金基板 焊接时的热膨廿k夫 配示意图如图5所示。 采 加 热 图5 LTCC基板和铝硅合金基板在焊接时的热膨胀失配示意图 2.2翘曲度和焊接效果的关系 对于基板焊接来说,评判标准就是焊接的钎透 率,其决定_,后续的电讯性能捐杯。 6足AI5{}Si50 合金焊接LTcc和A173si27合金焊接LTCC后的x—ray 照片。从图66Ⅵ以看出,AI50Si5O合金 jLTCC的焊 接钎透率大于9()%,要明 好于A173Si27合令与LTCC 的焊接效果。从图6(a)上能明 看剑两个 板之闸 的焊料层钎透率明显小够,卜1_有人哂积的空涧。 图6 LTCC基板分别与AI73Si27和AI50Si50合金基板焊接后钎透 率对比 f=『=1上述实验结果和分析百丁矢¨,当焊接时铝娃合金 基板 ̄HLTCC基板的热膨胀系数差距较大时,会产生 基板翘曲现象,虽然二者翘【f}】弧度方(下转第244页) 电子工艺技术 Electronics Process Technology J1j热校 ]-装l 进行了热校平试验,对热 校平后卜片架厚度方向的平面度进行了检测,上 2017年7月 接【_]的尺、 误差 ±().()3 nllll以内,卜j ‘ 尺线安装 面与SAM安装面平面度均为().1(1 illnl,保 r天线与 组件的装 -t: j重要求。 下 山 ft9、 面度分别为(】.44 Fnnl、0.45 nlm,均小 于《J.5 1]1I11,加r余量满足需求。机加]-试验后,在 三 标测 机卜埘加J-后的SAM安装接口、天线和 SAM安装lfjf进行了柃验,SAM安装接【l的尺_J 误差 ±(1.03 11111 以内,卜片 天线安装而与SAM安装而 平面度均为().1()n n ,均满足设计需求。经内窥镜检 测.腔1人J九切屑。成功研制的天线框架已应用于机 裁村l控 m达的后期研制。 参考文献: [1]任开锋.拿风英.术忐行.等.某机载雷达相控 人线结卡句设计 fJ1.电子机械I 程,2010,26(2).43—46. [2]许业林,张 1}1.江海尔. 精度统it 误差分析研究….电子 T艺技术,2()15,36(3):l75一l78. 【3】朱春临,左防震.椠机载甫达十b℃天线桩架的研制….航空圳造 技术.20I3,(1()):84—87. 【4】李光.傅强.相控阵天线 成形技术lJ 1.火控雷达技 4结论 采川I 了・束焊接的 ‘法,通过焊接结构分解和 有限 优化设计,实现r人尺、r带双 液冷分配器 人线 的焊接成 ,侄1.2 MPa下保 3()min尢渗 术,2002,3 l(3):14—1 7. 【51徐波,粱卞.乍元生.有限厄法 u子束焊接【}】的 j.}Jl JIl电子I 艺技术,2007,28f6):32 1—323. 漏。通过1 艺流桴设计币lJ关键上艺控制.SAM安装 (上接第202页) ・敏。们是翘曲度乖l】焊接效果有 度进行计g1:,H ̄-0定。2)A1Si合金未 接的翘曲量为 1 1 3~1 1.4 n1,A173Si27 金 接LTCC J ̄的样f 别,A173Si27合金 板的翘曲度明显人’ A150Si50合 会珠板,川时焊接钎透牢却是前者小 J 后者。证明 Z :r1 的翘曲量最火,110.1~13().1 1 AI5()Si5()合会焊 接LTCC后的样品翘曲量较低,56.0~84.4 II1。通 过翘曲度计算,三种样,1_J1的平均翘帅度分别为A1Si 合金米焊接3.60 X 1 0,A15()Si50合金 接LTCC后 2.16 X 1()。。 ,A173Si27合令 接LTCC后3.80×10 。 1,7 t 俞 -jLTCC的膨胀系数差距越火,焊接后的翘 urH]度越人,焊接钎透牢越低。因此.在选择铝硅合 会, ̄I;ILTCC进行焊接时,建议采J1]A173Si27合金。 3运用扫描干涉表征焊接后样品翘曲度的展望 众所川知,存微电r‘组装过程『{1不呵避免地会 3)铝硅合金t ̄LTCC荩板的热膨i-/胀系数f,f勺差异导致 丫膨胀变形 的差异,从 产牛了拉 /J,使得铝 硅合金基板变形翘曲。、 1热膨胀系数井片越人,就 … f【_『J 小 器件和 板的焊接过程,、 1发生热膨胀 ,其焊接后的 曲度直接影响剑整休组件 会造成綦板的翘曲度越人。铝硅合金!-3LTCC的热膨 胀系数差距越大,焊接后的翘I忖1发越人,焊接钎透 率越低。 电 r} 能的 现。运}{j¨捕干涉技术不仅呵以对新1 艺进仃翘litj度和r艺lJ『 性进行判定,而且可以对 接顾 进行检 ,小仪nJ以对器件进行全面扫 描太 肜貌,同时也 J‘以对器件的局邮翘曲度进 行柃测 、 参考文献: 【I J杨伏良.新型轻质低膨胀高 热电子封装材料的研究『D1.长沙: 中南大学,2007:1-6. 4结论 小义以AlSOSiS0 ̄l1A173Si27两种俞金焊接LTCC [2j李古泉.拿德群,郭志英.甥仲翘曲度及其汁箅力 法『J1_高分子 材料科学 -j r程,2008.24(6):1—4. 13j成钢.膨胀系数pE配对电子产 1^ l『靠 的影响¨l-lU'F产品”r靠 性与环境试验,2OIO.28(6):32—36. 【4]张 杰.韩启龙.PCB焊接过 rfl翘f}}i原因探究 j改善IJI.电子 _【 艺技术 2013,34(5):284—288 板后的翘[{1]行为作为研究对象,介 厂一种快速 准确洲:1{=集成电路冗器件翘曲度的技术方法一扣描 t涉技术。并运用扫描T涉技术对 合金基板的 翘曲 进 r表征,对比了两种铝硅合金焊接后的 [5]任康,刘 金,h莹模块焊接后变形原因分忻….电子工艺技 术,20 1 6.37(6):333—335. 收 l…】:2017-(15—1 6 翘曲皮。分析r翘曲度产生的原因,蜕l月r翘曲度 i与焊按钎透率之间的关系。得到如下结论:1)扫描 _T涉技术能快速有效地对铝硅合会焊接前后的翘【I【 ]