PDF《工业设计论文薄膜基板芯片共晶焊技术研究》

工业设计论文薄膜基板芯片共晶焊技术研究 随着集成电路向着高性能、高密度、高可靠性以及小型化、低成本的方向发展,对芯片的安装焊接工艺提出了更高的 要求,将芯片与基板或管壳互连时,主要有导电胶粘接和共晶焊接两种方法,在高频电路大功率芯片的安装中,由于 导电胶的电阻率大、导热系数小,会造成器件损耗大,管芯热阻大,结温高,影响功率输出和可靠性.

而共晶焊接具 有连接电阻小,传热效率高,散热均匀,焊接强度高、工艺一致性好等优点,所以特别适用于高频、大功率器件和有 较高散热要求的功率器件的焊接. 摘要:共晶焊是微电子组装技术中的一种重要焊接工艺,在混合集成电路中得到了越来越多的应用.文中简要介绍了 共晶焊接的原理,分析了影响薄膜基板与芯片共晶焊的各种因素,并且选用Ti/Ni/Au膜系和AuSn焊料,利用工装夹具 在真空环境下通入氮、氢保护气体的方法进行薄膜基板芯片共晶焊技术的研究. 关键词:共晶焊,空洞,剪切强度,接触电阻 近几年来,共晶焊技术在集成电路中得到了广泛的应用,本文针对高可靠薄膜基板芯片共晶焊工艺应用需求,研究了 真空气氛、焊接金属化膜层、焊接压力以及温度、时间对芯片共晶焊可靠性的影响,并在试验的基础上,优化了各工 艺参数.以满足高可靠薄膜基板芯片共晶焊工艺的应用需求. 1试验 1.1试验基板的制备 基板采用Al2O3陶瓷基板,共晶焊区采用磁控溅射或蒸发制备复合薄膜,通过电镀、光刻、热处理后获得,图1为薄 膜基板制作工艺流程图,芯片采用Ti/Ni/Au,其中Au的厚度为0.2μm,共晶焊设备采用进口的Westbood真空共晶焊炉 . 1.2焊料及厚度选择 共晶焊常用的焊料有Au80Sn

20、Au97Si

3、Au88Ge12三种成分,表1为三种常用焊料的参数对比. 三种焊料的熔点各不相同,选取时要综合考虑焊接膜层及厚度、基板和芯片所能耐受的最高温度等因素,通过表1对比,其中AuSn焊料的熔点最低,导热性、电阻率都良好,并且焊料中Au占了很大的比重,材料表面的氧化程度较低 ,所以焊接中无需助焊剂,避免了因使用助焊剂对半导体芯片形成的污染和腐蚀.所以本研究采用预成型Au80Sn20 焊片进行烧结,共晶温度280℃,焊片的尺寸与芯片大小相同,厚度40μm. 2共晶焊接原理 共晶焊接又称低熔点焊接,它是指在相对较低的温度下共晶焊料发生共晶物熔合的现象,共晶合金直接从固态变成液 态,而不经过塑性阶段.共晶焊料是由两种或两种以上金属组成的合金,其熔点远远低于合金中任一种金属的熔点. 共晶焊料的熔化温度称为共晶温度,共晶焊料中合金成分比例不同,共晶温度也不同,共晶焊接需要在一定的保护气 氛中加热到共晶温度使焊料熔融,同时芯片和基板表面的合金会有少量进入熔融的焊料,冷却后,会形成合金焊料与 金层之间原子间的结合,从而完成芯片与基板之间的焊接. 3关键技术与讨论 3.1夹具的设计 真空共晶焊接过程需要借助夹具,夹具的作用主要是提供一定的压力和完成芯片的定位功能,一套完整共晶焊夹一般 由上、中、下3种模块组成,如图2所示. 夹具的设计要综合考虑每炉共晶焊接数量、夹具的热传导性、热均匀性、热变形等特性,同时还要考虑夹具的易加工 性、操作性和耐用性等因素.由于铝合金具有优良的导热性能、热均匀性和热变形小,最终选定铝合金作为夹具材料 . 夹具的下模块以阵列的方式开槽,起到固定管壳的作用,同时使热量迅速传给管壳;