CN102157405A - 基于熔封封帽工艺的芯片真空共晶焊接方法 - Google Patents

基于熔封封帽工艺的芯片真空共晶焊接方法 Download PDF

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Abstract

基于熔封封帽工艺的芯片真空共晶焊接方法，通过陶瓷外壳、圆片镀金、切片、真空共晶焊接、引线键合和金锡合金熔封封帽等步骤解决了现有真空共晶焊接不能采用熔封封帽工艺的技术难题。本发明焊接温度采用340℃，保温6分钟，时间和温度均高于传统焊接条件，使陶瓷外壳装片区表面和芯片表面金层渗入焊料，导致焊料中Au/Sn的成份发生改变，避免了熔封封帽时芯片焊接区域的二次熔化问题；本发明在焊料熔化后进行抽真空，抽除了芯片焊接时形成的大部分气泡，有效减少了焊接区域形成空洞的几率，使焊接空洞得到了有效的控制；本发明采用芯片键合方法是基于熔封封帽工艺，有利于整个封装生产的批量生产，提高产品的一致性水平。

Description

基于熔封封帽工艺的芯片真空共晶焊接方法
技术领域
本发明涉及一种芯片真空共晶焊接方法，特别是涉及一种基于熔封封帽工艺的芯片真空共晶焊接方法，属于集成电路封装技术领域。
背景技术
常规的芯片装片方法包括：环氧树脂粘接、摩擦共晶和共晶焊料焊接。常规的封帽工艺包括平行缝焊工艺和熔封工艺。若采用环氧树脂粘接的芯片装片方法，则封帽工艺可采用平行缝焊工艺或熔封工艺。由于金锡合金具有热传导性较高、焊接温度较低的特点，因此采用金锡合金焊料的共晶焊料焊接是陶瓷外壳芯片焊接的最佳选择。而常规采用金锡焊料焊接工艺装片的电路，由于熔封封帽工艺也采用金锡合金作为焊料，封帽温度与共晶装片温度一致，所以封帽工艺均采用平行缝悍工艺进行，因为采用平行缝焊工艺时，电路整体温度可以控制在100℃以下，避免了封帽温度过高导致的芯片焊接材料的二次熔化。但相对于熔封工艺，平行缝焊工艺具有工艺一致性差、盖板表面损伤、批产能力差、焊接质量差等优点。
但随着半导体集成电路对可靠性的要求越来越高，装片工序必须采用一种稳定、可靠性高的焊接工艺替代常规环氧树脂粘接工艺。该工艺需要具有优良的导电、导热特性，且装片工艺要求拥有相对较低的焊接温度，避免高温对芯片的内部结构产生影响；同时还需要保证在熔封封帽时，避免芯片焊接材料产生二次熔化，而现有采用平行缝焊工艺的共晶焊料焊接没法满足上述需要，因此亟需研究一种新的共晶焊料焊接方法。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种避免陶瓷外壳熔封封帽过程中金锡共晶装片材料二次融化问题的金锡共晶焊接方法。
本发明的技术解决方案是：基于熔封封帽工艺的芯片真空共晶焊接方法，通过以下步骤实现：
第一步，在陶瓷外壳装片区形成一层金镀层；
第二步，在圆片焊接面形成一层Ti-Ni-Au镀层；
第三步，将形成Ti-Ni-Au镀层的圆片划切成独立的芯片；
第四步，利用专用夹具将陶瓷外壳、焊料和芯片组装在一起并放入真空共晶烧结设备中；
第五步，对组装在一起的陶瓷外壳、焊料和芯片进行预热，预热温度不低于240℃；
第六步，将预热后的陶瓷外壳、焊料和芯片组件升温至不低于340℃和抽真空至不低于0.1mbar，保温不少于6分钟，在陶瓷外壳和芯片的焊接面形成金锡共晶合金；
第七步，引线键合；
第八步，在熔封炉内进行熔封封帽，完成芯片封装。
所述第四步专用夹具包括定位块、压块和底座，底座上加工有安装陶瓷外壳的槽，将陶瓷外壳安装在底座的槽内，陶瓷外壳安装上定位块，在定位块中心的方孔内安装焊料和芯片，再将压块压在焊料和芯片上。
所述第二步Ti-Ni-Au镀层中Ti层厚度为
Figure BSA00000405520100021
Ni层厚度为
Figure BSA00000405520100022
Au层厚度为
Figure BSA00000405520100023
所述第一步中金镀层的厚度为1.3～2μm。
所述第四步焊料采用金锡合金，其中金含量为80％，锡含量为20％。
所述第八步中熔封封帽采用金锡合金焊料，其中金含量为80％，锡含量为20％。
本发明与现有技术相比有益效果为：
(1)本发明焊接温度采用340℃，保温6分钟，时间和温度均高于传统焊接条件，使陶瓷外壳装片区表面和芯片表面金层渗入焊料，导致焊料中Au/Sn的成份发生改变，避免了熔封封帽时芯片焊接区域的二次熔化问题；
(2)本发明在焊料熔化后进行抽真空，抽除了芯片焊接时形成的大部分气泡，有效减少了焊接区域形成空洞的几率，使焊接空洞得到了有效的控制；
(3)本发明采用芯片键合方法是基于熔封封帽工艺，有利于整个封装生产的批量生产，提高产品的一致性水平；
(4)本发明确定圆片的Ti-Ni-Au镀层的厚度，可以充分使芯片表面金层渗入焊料，从而导致焊料中Au/Sn的成份发生改变，避免熔封封帽时芯片焊接区域的二次熔化；
(5)本发明采用AuSn(80％20％)替代传统共晶焊采用的AuGe(88％12％)或AuSi(88％12％)焊料等高温度焊料，通过焊接温度的控制，避免了传统高温度焊料造成芯片老化，影响产品性能；内部芯片焊接材料和封帽时材料均为金锡合金(80％20％)，通过焊接过程的控制，解决了现有真空共晶焊接不能采用熔封封帽工艺的技术难题；
(6)本发明确定陶瓷外壳装片区金镀层的厚度，可以充分使陶瓷外壳装片区表面金层渗入焊料，从而导致焊料中Au/Sn的成份发生改变，避免熔封封帽时芯片焊接区域的二次熔化；
(7)本发明采用专用夹具，可以精确对陶瓷外壳、焊料和芯片进行定位，保证了产品的焊接质量，提高产品的一致性水平。
附图说明
图1为本发明流程图；
图2为本发明专用夹具结构示意图；
图3为本发明温度曲线示意图。
具体实施方式
本发明如图1所示，通过以下步骤实现：
1、在陶瓷外壳装片区形成一层金镀层，金镀层的厚度为1.3～2μm。
2、在圆片焊接面形成一层Ti-Ni-Au镀层，Ti-Ni-Au镀层中Ti层厚度为Ni层厚度为
Figure BSA00000405520100042
Au层厚度为
Figure BSA00000405520100043
3、将形成Ti-Ni-Au镀层的圆片划切成独立的芯片。
4、利用专用夹具将陶瓷外壳、焊料和芯片组装在一起并放入真空共晶烧结设备中。
专用夹具如图2所示，包括定位块1、压块2和底座3，底座3上加工有安装陶瓷外壳的槽，将陶瓷外壳安装在底座3的槽内，陶瓷外壳上安装定位块1，在定位块1中心的方孔内安装焊料和芯片，再将压块2压在焊料和芯片上。
5、对组装在一起的陶瓷外壳、焊料和芯片进行预热，预热温度不低于240℃。
6、共晶焊
如图3所示，包括初始化阶段1、升温阶段2和4、预热阶段3、保温阶段5、冷却阶段6，将预热阶段3后的陶瓷外壳、焊料和芯片组件经过升温阶段4至不低于340℃和抽真空至不低于0.1mbar，保温阶段5不少于6分钟，在陶瓷外壳和芯片的焊接面形成金锡共晶合金。电路焊接温度340℃高于金锡(80％20％)合金的熔点280℃，保证了合金焊接的形成，同时保证在后续熔封封帽不会出现二次熔化。
7、引线键合。
8、在熔封炉内进行熔封封帽，完成芯片封装。
为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，本发明的具实例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明采用是AuSn共晶焊，共晶焊接过程是将圆片进行背面金属化制备，并进行划片，形成独立芯片单元，芯片的厚度为400～450μm，芯片的边长为2～8mm。然后使用专用夹具将芯片、陶瓷外壳、焊料片(厚度为25um)进行固定，在氮气的保护气氛下，芯片、外壳、焊料预热到240℃，然后加热到340℃，进行抽真空，保温6分钟，最后形成良好的合金焊接。然后进行引线键合，最后在熔封炉内进行熔封封帽，完成封装。
对比熔封前、后芯片共晶焊接后目检照片，在50倍下可以观察到芯片四周焊料溢出均匀，熔封前后焊料没有继续扩散痕迹，说明在熔封过程中芯片与外壳基板之间的金锡焊料未发生二次熔化。
实验结果显示，对于边长2mm-8mm的芯片，通过X射线可知熔封前、后芯片空洞率均在10％以下，没有明显变化，满足了GJB相关要求。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (6)

1.基于熔封封帽工艺的芯片真空共晶焊接方法，其特征在于通过以下步骤实现：
第一步，在陶瓷外壳装片区形成一层金镀层；
第二步，在圆片焊接面形成一层Ti-Ni-Au镀层；
第三步，将形成Ti-Ni-Au镀层的圆片划切成独立的芯片；
第四步，利用专用夹具将陶瓷外壳、焊料和芯片组装在一起并放入真空共晶烧结设备中；
第五步，对组装在一起的陶瓷外壳、焊料和芯片进行预热，预热温度不低于240℃；
第六步，将预热后的陶瓷外壳、焊料和芯片组件升温至不低于340℃和抽真空至不低于0.1mbar，保温不少于6分钟，在陶瓷外壳和芯片的焊接面形成金锡共晶合金；
第七步，引线键合；
第八步，在熔封炉内进行熔封封帽，完成芯片封装。
2.根据权利要求1所述的基于熔封封帽工艺的芯片真空共晶焊接方法，其特征在于：所述第四步专用夹具包括定位块(11)、压块(12)和底座(13)，底座(13)上加工有安装陶瓷外壳的槽，将陶瓷外壳安装在底座(13)的槽内，陶瓷外壳安装上定位块(11)，在定位块(11)中心的方孔内安装焊料和芯片，再将压块(12)压在焊料和芯片上。
3.根据权利要求1所述的基于熔封封帽工艺的芯片真空共晶焊接方法，其特征在于：所述第二步Ti-Ni-Au镀层中Ti层厚度为
Figure FSA00000405500000011
Ni层厚度为
Figure FSA00000405500000012
Au层厚度为
Figure FSA00000405500000013
4.根据权利要求1所述的基于熔封封帽工艺的芯片真空共晶焊接方法，其特征在于：所述第一步中金镀层的厚度为1.3～2μm。
5.根据权利要求1所述的基于熔封封帽工艺的芯片真空共晶焊接方法，其特征在于：所述第四步焊料采用金锡合金，其中金含量为80％，锡含量为20％。
6.根据权利要求1所述的基于熔封封帽工艺的芯片真空共晶焊接方法，其特征在于：所述第八步中熔封封帽采用金锡合金焊料，其中金含量为80％，锡含量为20％。
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