共晶焊接工艺：原理阐释与实际应用情况分析

共晶焊接工艺是一种利用共晶合金的熔点特性进行焊接的先进技术。该工艺以其独特的物理和化学特性，在现代制造和电子封装行业中占据了重要地位。共晶焊接主要应用于金属材料之间的连接，通常适用于电路板（PCB）和半导体封装等领域。它不仅能提供高强度的连接，还有助于降低焊接温度，从而减少对敏感电子元件的热损伤。

共晶焊接的核心在于通过形成异种金属间的共晶组织，实现牢固可靠的金属连接。在半导体封装的芯片安装环节，对于芯片背面金属层有特定要求。功率器件背面金属层一般为 Ti /Ni/Ag 结构；普通芯片因背面是硅材质，且共晶焊接温度较高，功率较小、发热有限，对地电阻敏感度低，通常采用导电胶黏结。不过，在对可靠性和密封性要求较高的特殊场景下，若基板焊盘表面经过镀金处理，也可对芯片纯硅背面进行共晶加工。

在了解共晶焊接工艺之前，先明晰其基本原理。当两种组元在液态可完全互溶、固态仅有限互溶且存在共晶转变时，就构成了二元共晶相图，如 Pb - Sn、Pb - Sb、Cu - Ag、Al - Si 等合金相图。以典型的 Pb - Sn 合金相图为例，水平线 CED 为共晶线，在 183℃时，成分为 E 点的液相会同时结晶出成分为 C 点的 α 固溶体和 D 点的 β 固溶体，即 L→(α_C + β_D)，这种转变过程称为共晶转变或共晶反应，产物为共晶体或共晶组织。在共晶线上，成分位于共晶点左侧的是亚共晶合金，右侧的是过共晶合金，所有具有共晶线成分的合金液体，冷却至共晶温度时都会发生共晶反应，反应过程中 L、α、β 三相平衡共存，成分固定但重量变化。

共晶焊接的具体方式是利用芯片背面的金硅合金，与基座或引线框架上的镀层（如银层）在 400 - 440℃的高温氨气氛保护下发生反应形成合金，从而固定芯片。这种工艺适用于尺寸较小的芯片，尤其是功率晶体管芯片，相比采用合金焊料的装片方式，更有利于芯片散热。

共晶焊接技术在电子封装领域应用广泛，包括芯片与引线框架或基板的连接、基板与管壳的装配、管壳封帽等。与传统的环氧导电胶连接相比，它具有热导率高、电阻小、传热迅速、可靠性强、连接后剪切力大等优势，适用于高频、大功率器件的互联。

共晶合金具有诸多特点，如熔点低于纯金属组元，简化了操作流程；流动性好，铸造性能优；恒温转变减少了缺陷；共晶凝固能形成多种显微组织，可成为性能优异的原生复合材料。

共晶现象指共晶焊料在较低温度下发生共晶成分的熔合，直接从固态转变为液态，不经过塑性阶段，其熔化温度为共晶温度。“真空 / 可控气氛自动共晶炉” 是实现共晶工艺的新型设备，无需使用助焊剂，具备抽真空或充惰性气体的功能，能有效减少空洞，配合专用夹具可实现多芯片的一次共晶操作。

该设备主要用于芯片焊接，核心应用是芯片与基板的焊接，通常采用金锡（AuSn 80/20）、金硅（AuSi）、金锗（AuGe）等合金焊片。在微波、毫米波电路中，常用 AuSn 和 AuGe 合金焊料，根据熔点差异进行分步焊接。在多芯片组件中，焊接材料及组装工艺与混合电路类似，大部分使用环氧树脂，焊料或共晶焊接主要用于大功率封装或宇航级要求的封装互联。

在使用真空 / 可控气氛自动共晶炉进行芯片共晶焊接时，需要关注多个关键问题：

1.焊料选择：可作为焊料的合金多样，需根据被焊件的镀层成分、热容量、耐受温度等因素综合考虑。例如，含银的 SnAg 焊料易与镀银端面结合，含金、铟的合金焊料易与镀金端面接合。同时，要注意焊料存放时间，避免表面氧化层过厚导致焊接空洞，最好使用新焊料。

2.温度控制工艺曲线参数设定：共晶焊接主要应用于高频、大功率及宇航级电路，焊接过程中的热量流失、热应力等因素影响焊接质量。温度与时间的精准控制至关重要，共晶温度控制需经历完整的温度曲线变化过程，多芯片共晶需采用阶梯式共晶工艺。

3.降低空洞率：空洞的形成与焊料表面氧化层、微小杂质颗粒、气泡有关，会降低器件可靠性。降低空洞率的措施包括清洁器件与焊料表面、设置加压装置、在真空环境下操作。

4.实现多芯片一次共晶：随着芯片尺寸缩小、数量增加，需采用专用工装夹具辅助。夹具要能固定芯片与焊料位置，具备操作便捷、耐受高温、形态稳定等特性，高纯石墨是常用的夹具材料。

5.基板与管壳的焊接：与芯片和基板的焊接类似，由于基板尺寸大、材质厚，共晶炉能更高效地完成焊接。

6.封帽工艺：器件封帽可采用共晶焊接方式，陶瓷封装是优选方案，陶瓷腔体上部的密封环与盖板进行共晶焊接，实现气密或真空封焊。此外，共晶炉还可应用于芯片电镀凸点再流成球、共晶凸点焊接、光纤封装等工艺。

芯片背面采用不同合金材料时，装片过程中周边会出现不同的合金溢出情况。同时，共晶焊接装片工艺存在一定局限性，若装片机械手上的吸嘴截面与芯片不平行，会导致芯片受力不均，影响焊接效果。

综上所述，共晶焊接工艺在电子封装领域具有重要地位，但在实际应用中需要综合考虑各种因素，以确保焊接质量和器件性能。