CN102956515B - 一种银硅共晶焊接芯片的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种银硅共晶焊接芯片的方法，该方法无需采用焊片进行导体器件的焊接方法，属于芯片焊接技术领域。将待焊接芯片的一侧进行金属化处理；将载体的一侧进行金属化处理；将待焊接芯片叠放在载体上，给待焊接芯片表面施加配重，然后放入高温炉中；将高温炉升高至合适温度，并保持一定时间后降温至室温，完成焊接。本发明的方法采用银硅共晶焊接可以将工艺温度提高至890～970℃，为后续的高温操作提供了大的工艺窗口；焊接时，不放置焊片，利用芯片与载体的金属结构进行焊接，有效的控制了焊料的融化范围。

Description

一种银硅共晶焊接芯片的方法
技术领域
本发明涉及一种银硅共晶焊接芯片的方法，该方法无需采用焊片进行导体器件的焊接方法，属于芯片焊接技术领域。
背景技术
芯片焊接是指半导体芯片与载体(封装壳体或基片)形成牢固的、传导性或绝缘性连接的方法。其方法可分为树脂粘接法和金属合金焊接法。树脂粘接法由于其热阻及电阻均较大，一般不适合于功率型器件的焊接。金属合金焊接主要是指芯片在一定的压力下，当温度高于共晶温度时，合金融化成液态的共熔体；冷却后，当温度低于共晶温度时，共熔体由液相变为以晶粒形式互相结合的机械混合物，从而形成了牢固的欧姆接触焊接面。
目前金属合金焊接的方法主要有两种：一种是以焊片的形式将半导体芯片焊接到载体上，即在芯片与载体间放置一定焊片，待焊片温度升到一定时，融化成为液态，最后降温，芯片与载体焊接到一起。根据所使用的焊片的成分形状等不同，一般加热的温度与时间也有所区别，一般常用焊片的主体成分包括：金硅、金锗、金锡、铅锡及银铜等，而为了提升焊接效果、导电及导热性能，还会在焊片中添加锡、铟、锌、磷及镍等元素。另一种金属合金焊接的方法是不采用焊片，而是利用芯片与载体表面的金属层的性能，在摩擦、超声、压力等形式能量的作用下，直接焊接到一起，比较典型的应用是晶硅摩擦共晶焊接。芯片在一定的压力下，附以摩擦或超声，界面的金层与硅形成金硅合金共熔体，冷却后形成焊接。
发明内容
本发明的目的是为了解决树脂粘接法由于其热阻及电阻均较大，不适于功率型器件的焊接以及金属合金焊接法金硅焊接温度低无法满足后续高温操作的问题，提出一种银硅共晶焊接芯片的方法，该方法为无焊片方法，有效的控制了焊接区域焊料融化的范围。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明的一种银硅共晶焊接芯片的方法，芯片在一定的压力下，当温度高于共晶温度835度时，银硅合金融化成液态的银硅共熔体；冷却后，当温度低于共晶温度835度时，银硅共熔体由液相变为以晶粒形式互相结合的机械混合物，即银硅共熔晶体而全部凝固，从而形成了牢固的欧姆接触焊接面，该方法的具体步骤为：
1)将待焊接芯片的一侧进行金属化处理；
2)将载体的一侧进行金属化处理；
3)将待焊接芯片叠放在载体上，给待焊接芯片表面施加配重，然后放入高温炉中；
4)将高温炉升高至合适温度，并保持一定时间后降温至室温，完成焊接。
所述步骤1)中金属化处理：是指生长金属层，金属层为三层：第一层为钛，厚度为1500～2000埃米；第二层为镍，厚度为2000～3000埃米；第三层为银，厚度为50000～80000埃米；生长金属层的方法采用溅射或蒸发的方法；
所述步骤2)将金属化处理：是指生长金属层，金属层为两层：第一层为镍，厚度为3000～8000埃米；第二层为银，厚度为70000～100000埃米；生长金属层的方法采用溅射、蒸发、电镀或者化学镀的方法；
所述步骤3)将芯片叠放在载体上：是指将芯片与载体金属化处理后的两个面接触在一起；
所述步骤3)施加配重：根据待焊接芯片面积大小决定，按照每平方毫米的待焊接芯片的面积施加配重的质量为0.5～1.2g；
所述步骤4)合适温度为890～970℃；
所述步骤(4)保持一定时间为5～8min。
有益效果
本发明的方法采用银硅共晶焊接可以将工艺温度提高至890～970℃，为后续的高温操作提供了大的工艺窗口；焊接时，不放置焊片，利用芯片与载体的金属结构进行焊接，有效的控制了焊料的融化范围。
附图说明
图1是实施例中焊接好的硅芯片的截面结构示意图；
图2是实施例1中焊接截面效果图；
图3是银硅二元相图；
其中，1-配重，2-芯片，3-芯片钛金属层，4-芯片镍金属层，5-芯片银金属层，6-载体银金属层，7-载体镍金属层，8-载体，9-芯片的表面，10-芯片钛金属层的表面，11-芯片镍金属层的表面，12-芯片银金属层的表面，13-载体银金属层的表面，14-载体镍金属层的表面，15-载体的表面。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
银硅共晶焊接硅芯片的方法，具体步骤为：
1)将待焊接的硅芯片的表面9上采用溅射的方法生长一层芯片钛金属层3，其厚度为1500埃米，然后在芯片钛金属层的表面10上采用溅射的方法生长一层芯片镍金属层4，其厚度为2000埃米，最后在芯片镍金属层的表面11上采用溅射的方法生长一层芯片银金属层5，其厚度为50000埃米；
2)将载体的表面15上采用溅射的方法生长一层载体镍金属层7，其厚度为3000埃米，然后在载体镍金属层的表面14上采用溅射的方法生长一层载体银金属层6，其厚度为70000埃米；
3)将步骤1)处理后的硅芯片2叠放在步骤2)处理后的载体8上，使芯片银金属层的表面12与载体银金属层的表面13接触；然后将配重1置于芯片2的上表面处，使芯片银金属层的表面12与载体银金属层的表面13紧密接触在一起；最后将配重1、芯片2和载体3一起放入高温炉中进行高温焊接；高温炉的温度程序为：首先将炉温以15℃/min的速率升温至890℃，保温8min，然后以60℃/min的速率降温至室温，完成焊接，得到焊接好的硅芯片，然后对硅芯片进行划分，得到独立的硅芯片；其截面结构示意图如图1所示，截面效果图如图2所示，从图2中可以看出，在芯片与载体之间存在一个厚度为8～15μm的焊接过渡区域，其左侧为载体，右侧为硅芯片；此区域的主要成分为银硅。
上述硅芯片2的表面积为2mm2；上述配重1的质量为2g；
上述步骤3)中在降温过程中通入氮气，以加快炉体的冷却速率；
上述的载体8为金属钼；
上述方法的理论根据是：银硅二元相图如图3所示，从图3中可知，银硅两种元素共晶温度点是835度，利用元素间这一特点，控制温度在835度以上，可以实现焊接。
实施例2
银硅共晶焊接硅芯片的方法，具体步骤为：
1)将待焊接的硅芯片的表面9上采用蒸发的方法生长一层芯片钛金属层3，其厚度为2000埃米，然后在芯片钛金属层的表面10上采用蒸发的方法生长一层芯片镍金属层4，其厚度为3000埃米，最后在芯片镍金属层的表面11上采用蒸发的方法生长一层芯片银金属层5，其厚度为80000埃米；
2)将载体的表面15上采用电镀的方法生长一层载体镍金属层7，其厚度为8000埃米，然后在载体镍金属层的表面14上采用电镀的方法生长一层载体银金属层6，其厚度为100000埃米；
3)将步骤1)处理后的硅芯片2叠放在步骤2)处理后的载体8上，使芯片银金属层的表面12与载体银金属层的表面13接触；然后将配重1置于芯片2的上表面处，使芯片银金属层的表面12与载体银金属层的表面13紧密接触在一起；最后将配重1、芯片2和载体3一起放入高温炉中进行高温焊接；高温炉的温度程序为：首先将炉温以15℃/min的速率升温至970℃，保温5min，然后以60℃/min的速率降温至室温，完成焊接，得到焊接好的硅芯片，然后对硅芯片进行划分，得到独立的硅芯片；其截面结构示意图如图1所示。
上述硅芯片2的表面积为2mm2；上述配重1的质量为2.4g；
上述步骤3)中在降温过程中通入氮气，以加快炉体的冷却速率；
上述的载体8为金属钼。
实施例3
银硅共晶焊接硅芯片的方法，具体步骤为：
1)将待焊接的硅芯片的表面9上采用溅射的方法生长一层芯片钛金属层3，其厚度为1800埃米，然后在芯片钛金属层的表面10上采用溅射的方法生长一层芯片镍金属层4，其厚度为2500埃米，最后在芯片镍金属层的表面11上采用溅射的方法生长一层芯片银金属层5，其厚度为60000埃米；
2)将载体的表面15上采用化学镀的方法生长一层载体镍金属层7，其厚度为6000埃米，然后在载体镍金属层的表面14上采用化学镀的方法生长一层载体银金属层6，其厚度为90000埃米；
3)将步骤1)处理后的硅芯片2叠放在步骤2)处理后的载体8上，使芯片银金属层的表面12与载体银金属层的表面13接触；然后将配重1置于芯片2的上表面处，使芯片银金属层的表面12与载体银金属层的表面13紧密接触在一起；最后将配重1、芯片2和载体3一起放入高温炉中进行高温焊接；高温炉的温度程序为：首先将炉温以15℃/min的速率升温至920℃，保温6min，然后以60℃/min的速率降温至室温，完成焊接，得到焊接好的硅芯片，然后对硅芯片进行划分，得到独立的硅芯片；其截面结构示意图如图1所示。
上述硅芯片2的表面积为2mm2；上述配重1的质量为1g；
上述步骤3)中在降温过程中通入氮气，以加快炉体的冷却速率；
上述的载体8为金属钼。

Claims (1)

1.一种银硅共晶焊接芯片的方法，其特征在于该方法的具体步骤为：
1)将待焊接芯片的一侧进行金属化处理；
2)将载体的一侧进行金属化处理；
3)将待焊接芯片叠放在载体上，即将待焊接芯片与载体金属化处理后的两个面接触在一起；然后给待焊接芯片表面施加配重，最后放入高温炉中；
4)将高温炉升高至890～970℃，并保持5～8min后降温至室温，完成焊接；
步骤1)中金属化处理：是指生长金属层，金属层为三层：第一层为钛，厚度为1500～2000埃米；第二层为镍，厚度为2000～3000埃米；第三层为银，厚度为50000～80000埃米；生长金属层的方法采用溅射或蒸发的方法；
步骤2)中金属化处理：是指生长金属层，金属层为两层：第一层为镍，厚度为3000～8000埃米；第二层为银，厚度为70000～100000埃米；生长金属层的方法采用溅射、蒸发、电镀或者化学镀的方法；
步骤3)施加配重：根据待焊接芯片面积大小决定，按照每平方毫米的待焊接芯片面积施加配重的质量为0.5～1.2g。
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