CN102528194A - 一种真空共晶焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微电子封装技术，具体为一种真空共晶焊接方法。该方法通过在真空共晶焊接过程中通入还原气体甲酸蒸汽或氢气来还原预成型焊料片表层被氧化的部分焊料，减少焊接面的氧化渣滓；在加热过程中，通入氮气提高升温速率，以缩短共晶时间，避免芯片被过焊或高温加速老化导致失效；在共晶时抽真空，减少甚至避免了焊接面的空洞，提高芯片的焊透率，减小接触电阻和热阻。本发明克服了现有技术焊料片表层氧化导致焊接面出现氧化渣滓的问题，降低了焊料片的存储条件要求；缩短了共晶时间，避免了芯片过焊和高温加速老化导致失效以及减少了空洞率。具有可靠性高、成品率高以及成本低的特点。
Description
技术领域
本发明涉及电子器件焊接领域，尤其涉及一种真空共晶焊接方法。
背景技术
微电子封装包含多个工艺步骤，其中芯片与热沉之间的焊接是一个关键步骤。传统的工艺方法是采用导电胶粘接，粘接后电阻率大、导热系数小，造成微波损耗大，管芯、热沉热阻大，结温高，功率输出受限，造成电路组件性能指标和可靠性下降，无法满足军用混合电路组件的组装要求。
目前，共晶焊接在微电子封装中涉及面最广，特别是军用电子器件、组件进一步向多功能集成及微型化方向发展，具有高频、高速、宽带的特点。共晶焊接一般采用以下几种设备实现：带有吸嘴和镊子的手动共晶焊机；红外再流焊炉以及真空共晶炉。
采用手动共晶焊接因是在空气环境下进行，容易产生空洞，空洞直接导致散热性能降低，造成电路性能及可靠性的降低；如采用手动共晶焊接方式进行多芯片共晶时，芯片重复受热，焊料多次融化易使焊接面氧化，严重影响芯片的寿命和性能。采用红外再流焊炉进行的共晶焊接需要使用助焊剂，会产生助焊剂污染，需增加清洗工艺，如清洗不彻底将导致电路长期可靠性指标降低。
真空共晶已成为大面积芯片、高功率芯片、多芯片高可靠共晶焊接的首选方法。通过真空共晶炉制造真空环境，阻止了焊料氧化，减少了焊接空洞；还能实现多芯片同时共晶。
目前真空焊接广泛使用的办法是:首先对真空共晶炉的工艺腔室内抽真空，然后工艺腔室内加热至共晶温度，保温一段时间后通入氮气冷却至常温。这样作的缺点是：一、因共晶焊接用的焊料片在生产、储运过程已部分氧化，因此在真空共晶焊接时会产生氧化渣滓；二、工艺腔室内一直处于真空状态，其加热效率很低，焊料处于熔融状态的时间比较长，容易造成过焊和加速芯片老化导致失效。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种加热效率高、氧化率低、过焊率低的一种真空共晶焊接方法。
本发明采用的技术方案是：一种真空共晶焊接方法，其特征在于：依次包括以下步骤：
1) 加工一种工装，该工装为高纯石墨板，在石墨板上铣若干个方形槽，在方形槽的一组对边铣两个半圆槽；
2) 将石墨工装清洗后安装进真空共晶炉的工艺腔室内；
3) 清洗热沉、预成型焊料片；
4) 依次将热沉、预成型焊料片和芯片放入石墨工装的方形槽内；
5) 关闭真空共晶炉工艺腔室的盖板；
6) 工艺腔室内抽真空、充氮气，反复多次；
7) 真空共晶炉内的石英灯管加热工艺腔室到设定温度；
8) 向工艺腔室通入流量经过控制的还原剂；
9) 待预成型焊料片上被氧化的部分焊料得到还原后，工艺腔室内再次抽真空；
10) 工艺腔室内继续加热升温至共晶焊接所需温度；
11) 待工艺腔室内温度达到共晶温度后停止充氮气，保温一段时间，同时抽真空；
12) 保温一段时间待焊接完成后，向工艺腔室通入大量氮气，促使腔室内快速降温；
13) 打开工艺腔室盖板，取出已完成共晶焊接的芯片组件。
本发明的第一优选方案是：在步骤8中，该还原剂可以是甲酸蒸气或是氢气。
本发明的第二优选方案是：在步骤10中，工艺腔室内升温时通入一定流量的氮气。
本发明的技术优势在于：克服了现有技术焊料片表层氧化导致焊接面出现氧化渣滓的问题，降低了焊料片的存储条件要求；缩短了共晶时间，避免了芯片过焊和高温加速老化导致失效以及降低了空洞率。具有可靠性高、成品率高以及成本低的特点。其焊透率达到99%以上，成品率100%。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
附图说明
图1 为本实施例焊接示意图。
具体实施方式
本实施例所采用的方法是：
1.设计加工一种工装，该工装选用材料为高纯石墨板，在石墨板上铣若干个方形槽，在方形槽的一组对边铣两个半圆槽，用于取放热沉、预成型焊料片以及芯片；
2.将石墨工装清洗后安装进真空共晶炉的工艺腔室内；
3.清洗热沉、预成型焊料片；
4.依次将热沉、预成型焊料片和芯片放入石墨工装的方形槽内；
5.关闭真空共晶炉工艺腔室的盖板；
6.工艺腔室内抽真空、充氮气、再抽真空，通过反复抽真空、充氮气去除腔室内的氧气和水汽，纯化腔室内气氛；
7.真空共晶炉内的石英灯管加热工艺腔室到设定温度；
8.向工艺腔室通入流量经过控制的还原剂，该还原剂可以是甲酸蒸气或是氢气；
9.待预成型焊料片上被氧化的部分焊料得到还原后，工艺腔室内再次抽真空，进一步纯化腔室内气氛；
10.工艺腔室内继续加热升温至共晶焊接所需温度，加热的同时向通入一定流量的氮气，提高升温速率；
11.待腔室内温度达到共晶温度后停止充氮气，保温一段时间，同时抽真空，避免焊接面产生空洞；
12.保温一段时间待焊接完成后，向工艺腔室通入大量氮气，促使腔室内快速降温，避免芯片被长时间加热导致加速老化；
13.打开工艺腔室盖板，取出已完成共晶焊接的芯片组件。
参考图1，单一芯片焊接时采用的技术方案是：
一. 设计加工一种工装1，该工装选用材料为高纯石墨板，在石墨板上铣若干个方形槽，方形槽的长、宽、深依据待焊接芯片组件的规格设计，方形槽呈矩阵排列，在每个方形槽的一组对边铣两个半圆，用于取放热沉、预成型焊料片以及芯片；
二. 使用无水乙醇清洗石墨工装，并氮气吹干；清洗后将石墨工装安装进真空共晶炉的工艺腔室内；
三. 使用超声波清洗机以及等离子清洗机清洗钨铜热沉2、预成型金锡(Au80%Sn20%)焊料片3；
四. 按图一所示依次将钨铜热沉、预成型金锡焊料片和砷化镓裸芯片4放入石墨工装的方形槽内。金锡焊料片的成分为Au80%Sn20%，厚度30微米；
五. 关闭真空共晶炉工艺腔室的盖板；
六. 设置并运行焊接参数，该焊接参数包括以下几步：
七．工艺腔室内先抽真空，去除腔室内的氧气和水气；
八．向工艺腔室内冲入氮气，石英灯加热使工艺腔室内温度达到200℃左右；
九．向工艺腔室内通入甲酸蒸汽还原焊料片中被氧化的部分焊料，流量大约为3slm/min，时间5分钟；
十．焊料还原后，工艺腔室继续快速升温至300℃左右,焊料融化并与钨铜上表面金属化层和砷化镓背面金属化层开始共晶；
十一. 待温度达到300℃时，工艺腔室内抽真空，避免焊接面产生空洞；
十二. 保温30秒后，向工艺腔室通入大量氮气直至腔室内温度快速降至常温；
十三. 打开工艺腔室盖板，取出已完成共晶焊接的芯片组件。
通过上述方法与步骤所共晶焊接的芯片组件，其焊透率达到99%以上。
本发明不仅限于上述实施例所示的保护范围，所有基于本实施例的发明思想，皆在本发明的保护范围内。
Claims (3)
1.一种真空共晶焊接方法，其特征在于：依次包括以下步骤：
1) 加工一种工装，该工装为高纯石墨板，在石墨板上铣若干个方形槽，在方形槽的一组对边铣两个半圆槽；
2) 将石墨工装清洗后安装进真空共晶炉的工艺腔室内；
3) 清洗热沉、预成型焊料片；
4) 依次将热沉、预成型焊料片和芯片放入石墨工装的方形槽内；
5) 关闭真空共晶炉工艺腔室的盖板；
6) 工艺腔室内抽真空、充氮气，反复多次；
7) 真空共晶炉内的石英灯管加热工艺腔室到设定温度；
8) 向工艺腔室通入流量经过控制的还原剂；
9) 待预成型焊料片上被氧化的部分焊料得到还原后，工艺腔室内再次抽真空；
10) 工艺腔室内继续加热升温至共晶焊接所需温度；
11) 待工艺腔室内温度达到共晶温度后停止充氮气，保温一段时间，同时抽真空；
12) 保温一段时间待焊接完成后，向工艺腔室通入大量氮气，促使腔室内快速降温；
13) 打开工艺腔室盖板，取出已完成共晶焊接的芯片组件。
2.根据权利要求1所述的一种真空共晶焊接方法，其特征在于：在步骤8中，该还原剂可以是甲酸蒸气或是氢气。
3.根据权利要求1所述的一种真空共晶焊接方法，其特征在于：在步骤10中，工艺腔室内升温时通入一定流量的氮气。
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