CN103579158B - 一种共晶焊的硅金属化的金属件及其金属化工艺 - Google Patents
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Abstract
一种降低共晶焊工艺过程中硅芯片与框架孔洞率和金属结构成本、提高焊接良率和焊接拉力的共晶焊的硅金属化的金属件。本发明的共晶焊的硅金属化的金属件采用Ti、Ni、SnAg、Au金属结构，Ti作为粘附层金属，起到与硅和上层金属Ni的粘附，Ni为阻挡层金属，防止上层金属SnAg合金渗透到硅。SnAg合金为粘附层金属，Sn熔点231.8℃，Ag熔点980℃，SnAg按质量分数为Sn 55‑65%、Ag35‑45%组合，就能够形成共晶焊温度为380‑450℃合金体。金为保护层金属，防止SnAg合金氧化。本发明降低了共晶焊工艺过程中硅芯片与框架孔洞率和金属结构成本，提高了焊接良率和焊接拉力，使得该发明产品在应用中有高的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及共晶焊工艺技术领域，具体涉及一种共晶焊的硅金属化的金属件，本发明还涉及共晶焊的硅金属化的金属件的金属化工艺。
背景技术
共晶焊又称低熔点合金焊接。共晶合金的基本特性是：两种不同的金属可在远低于各自的熔点温度下按一定重量比例形成合金。在微电子器件中最常用的共晶焊是把硅芯片焊到镀金或铜的底座或引线框架上去，即“金-硅共晶焊”。众所周知，金的熔点1063℃，而硅的熔点更高，为1414℃。但是如果按照重量比为2.85％的硅和97.15％的金组合，就能形成熔点为363℃的共晶合金体，这就是金硅共晶焊的理论基础。目前的硅金属化都采用背面蒸发纯金，砷金等工艺，这些工艺的缺点主要为成本较高，蒸发纯金，砷金4英寸晶片单片成本150元。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中的缺点而提供一种降低共晶焊工艺过程中硅芯片与框架孔洞率和金属结构成本、提高焊接良率和焊接拉力的共晶焊的硅金属化的金属件。
本发明所要解决的另一技术问题是提供上述共晶焊的硅金属化的金属件的金属化工艺。
为解决本发明的技术问题采用如下技术方案：
一种共晶焊的硅金属化的金属件，衬底为硅片，第四层为Ti金属层，第三层为Ni金属层，第二层为SnAg合金层，顶层为Au金属层。
一种共晶焊的硅金属化的金属件，第四层Ti金属层厚度为1000±100，第三层Ni金属层厚度为3000±100，第二层SnAg合金层厚度为12000±900，顶层Au金属层厚度为2000±100。
一种共晶焊的硅金属化的金属件的金属化工艺，其步骤为：
a、衬底硅片处理，硅片先正面贴膜后背面减薄到220±5um，然后背面依次去应力腐蚀、去污腐蚀液腐蚀、HF腐蚀后正面去膜，甩干后待用；
b、Ti金属蒸发：将按步骤a处理过的衬底硅片在200±10℃恒温烘烤10分钟，然进行Ti金属的蒸发，Ti金属蒸发层厚度为1000±100，蒸发速率为10±5/S；
c、Ni金属蒸发：完成步骤b的具有Ti金属层的衬底硅片放入真空室中自然降温到180±5℃，然后进行Ni金属的蒸发，Ni金属蒸发层厚度为3000±100，蒸发速率为10±5/S；
d、SnAg合金蒸发：完成步骤c 的Ni金属蒸发后，将具有Ti金属层和Ni金属层的衬底硅片放入真空室自然降温到150±5℃，然后进行SnAg合金蒸发，SnAg合金蒸发采用蒸发舟工艺，蒸发舟蒸发两种金属的合金，可将合金均匀蒸镀到硅片表面，SnAg合金蒸发层厚度为12000±900，其中SnAg合金是采用Sn金属和Ag金属均匀混合制做成的合金块金属，其中Sn金属和Ag金属的质量分数为Sn 55-65%、Ag35-45%；
e、Au金属蒸发：将完成SnAg合金层蒸发的衬底硅片放入真空室温度自然降到90±5℃，然后进行Au金属的蒸发，Au金属蒸发层厚度为2000±100，蒸发速率15±5/S 。
所述步骤d中SnAg合金蒸发采用蒸发舟工艺，其中SnAg合金共三个蒸发舟蒸发，每个蒸发舟蒸发SnAg合金厚度为4000±300，三个蒸发舟共蒸发SnAg合金厚度为12000±900。
所述步骤a为硅片先正面贴膜后背面减薄到220±5um，然后背面在HNO3：HF：HAC：H2O=40：1：2：20的溶液中去应力腐蚀5分钟，冲水10分钟，在H2O：NH4F：H2O2=10：1：1的溶液中去污腐蚀液腐蚀5分钟，冲水10分钟，在NH4F：HF=10：1溶液中清洗5分钟，冲水10分钟，在H2O：HF=100：1溶液中腐蚀5分钟，冲水10分钟后正面去膜，甩干后待用。
本发明的共晶焊的硅金属化的金属件采用Ti、Ni、SnAg、Au金属结构，Ti作为粘附层金属，起到与硅和上层金属Ni的粘附，Ni为阻挡层金属，防止上层金属SnAg合金渗透到硅。SnAg合金为粘附层金属， Sn熔点231.8℃，Ag熔点980℃，SnAg按质量分数为Sn 55-65%、Ag35-45%的比例组合，就能够形成共晶焊温度为380-450℃合金体。金为保护层金属，防止SnAg合金氧化。本发明降低了共晶焊工艺过程中硅芯片与框架孔洞率和金属结构成本，提高了焊接良率和焊接拉力，使得该发明产品在应用中有高的可靠性。采用这种金属化工艺，4英寸晶片单片成本35-40元，在具有相同焊接强度与良品率情况下，这种金属化工艺成本低。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
1-Au金属层，2- SnAg合金层, 3—Ni金属层，4-Ti金属层，5-硅片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明：
一种共晶焊的硅金属化的金属件，衬底为硅片5，第四层为Ti金属层4，第三层为Ni金属层3，第二层为SnAg合金层2，顶层为Au金属层1。
实施例1
一种共晶焊的硅金属化的金属件，第四层Ti金属层厚度为1000，第三层Ni金属层厚度为3000，第二层SnAg合金层厚度为12000，顶层Au金属层厚度为2000。
一种共晶焊的硅金属化的金属件的金属化工艺，其步骤为：
a、硅片表面处理：硅片先正面贴膜后背面减薄到220um，然后背面在1L的HNO3：HF：HAC：H2O=40：1：2：20的溶液中去应力腐蚀5分钟，冲水10分钟，在1L的H2O：NH4F：H2O2=10：1：1的溶液中去污腐蚀液腐蚀5分钟，冲水10分钟，在1L的NH4F：HF=10：1的溶液中清洗5分钟，冲水10分钟，在1L 的H2O：HF=100：1 溶液中腐蚀5分钟，冲水10分钟后正面去膜，甩干后待用；
b、Ti金属蒸发：将按步骤a处理过的衬底硅片在200℃恒温烘烤10分钟，然进行Ti金属的蒸发，Ti金属蒸发层厚度为1000，蒸发速率为5/S；
c、Ni金属蒸发：完成步骤b的具有Ti金属层的衬底硅片放入真空室中自然降温到180℃，然后进行Ni金属的蒸发，Ni金属蒸发层厚度为3000，蒸发速率为15/S；
d、SnAg合金蒸发：完成步骤c 的Ni金属蒸发后，将具有Ti金属层和Ni金属层的衬底硅片放入真空室自然降温到150℃，然后进行SnAg合金蒸发，SnAg合金蒸发采用蒸发舟工艺，蒸发舟蒸发两种金属的合金，可将合金均匀蒸镀到硅片表面，SnAg合金蒸发层厚度为12000；其中SnAg合金是采用质量分数为Sn 金属55%和Ag金属45%均匀混合制做成合金块金属；
e、Au金属蒸发：将完成SnAg合金层蒸发的衬底硅片放入真空室温度自然降到90℃，然后进行Au金属的蒸发，Au金属蒸发层厚度为2000，蒸发速率15/S 。
实施例2
一种共晶焊的硅金属化的金属件，第四层Ti金属层厚度为900，第三层Ni金属层厚度为3100，第二层SnAg合金层厚度为11100，顶层Au金属层厚度为1900。
一种共晶焊的硅金属化的金属件的金属化工艺，其步骤为：
a、硅片表面处理：硅片先正面贴膜后背面减薄到215um，然后背面在1L的HNO3：HF：HAC：H2O=40：1：2：20的溶液中去应力腐蚀5分钟，冲水10分钟，在1L的H2O：NH4F：H2O2=10：1：1的溶液中去污腐蚀液腐蚀5分钟，冲水10分钟，在1L的NH4F：HF=10：1的溶液中清洗5分钟，冲水10分钟，在1L 的H2O：HF=100：1 溶液中腐蚀5分钟，冲水10分钟后正面去膜，甩干后待用；
b、Ti金属层蒸发：将按步骤a处理过的衬底硅片在210℃恒温烘烤10分钟，然进行Ti金属的蒸发，Ti金属蒸发层厚度为900，蒸发速率为10/S；
c、Ni金属层蒸发：完成步骤b的具有Ti金属层的衬底硅片放入真空室中自然降温到175℃，然后进行Ni金属的蒸发，Ni金属蒸发层厚度为3100，蒸发速率为10/S；
d、SnAg合金层蒸发：完成步骤c 的Ni金属层蒸发后，将具有Ti金属层和Ni金属层的衬底硅片放入真空室自然降温到145℃，然后进行SnAg合金蒸发，SnAg合金蒸发采用蒸发舟工艺，蒸发舟蒸发两种金属的合金，可将合金均匀蒸镀到硅片表面。其中SnAg合金是采用质量分数为为Sn金属65% 和Ag金属35%均匀混合制做成合金块金属。SnAg合金块金属分三个蒸发舟蒸发，每个蒸发舟蒸发厚度为3700，SnAg合金蒸发层厚度共为11100；
e、Au金属层蒸发：将完成SnAg合金层蒸发的衬底硅片放入真空室温度自然降到95℃，然后进行Au金属的蒸发，Au蒸发层厚度为1900，蒸发速率20/S 。
实施例3
一种共晶焊的硅金属化的金属件，第四层Ti金属层厚度为1100，第三层Ni金属层厚度为2900，第二层SnAg合金层厚度为12900，顶层Au金属层厚度为2100。
一种共晶焊的硅金属化的金属件的金属化工艺，其步骤为：
a、硅片表面处理：硅片先正面贴膜后背面减薄到225um，然后背面在1L的HNO3：HF：HAC：H2O=40：1：2：20的溶液中去应力腐蚀5分钟，冲水10分钟，在1L的H2O：NH4F：H2O2=10：1：1的溶液中去污腐蚀液腐蚀5分钟，冲水10分钟，在1L的NH4F：HF=10：1的溶液中清洗5分钟，冲水10分钟，在1L 的H2O：HF=100：1 溶液中腐蚀5分钟，冲水10分钟后正面去膜，甩干后待用；
b、Ti金属层蒸发：将按步骤a处理过的衬底硅片在190℃恒温烘烤10分钟，然进行Ti金属的蒸发，Ti金属蒸发层厚度为1100，蒸发速率为15/S；
c、Ni金属层蒸发：完成步骤b的具有Ti金属层的衬底硅片放入真空室中自然降温到185℃，然后进行Ni金属的蒸发，Ni金属蒸发层厚度为2900，蒸发速率为5/S；
d、SnAg合金层蒸发：完成步骤c 的Ni金属层蒸发后，将具有Ti金属层和Ni金属层的衬底硅片放入真空室自然降温到155℃，然后进行SnAg合金蒸发，SnAg合金蒸发采用蒸发舟工艺，其中SnAg合金是采用质量分数为Sn金属60%和Ag金属40%均匀混合制做成合金块金属。SnAg合金块金属分三个蒸发舟蒸发，每个蒸发舟蒸发厚度为4300，三个蒸发舟共蒸发SnAg合金厚度为12900；
e、Au金属层蒸发：将完成SnAg合金层蒸发的衬底硅片放入真空室温度自然降到85℃，然后进行Au金属的蒸发，Au金属蒸发层厚度为2100，蒸发速率25/S 。
实施例4
一种共晶焊的硅金属化的金属件，第四层Ti金属层厚度为1100，第三层Ni金属层厚度为2900，第二层SnAg合金层厚度为12000，顶层Au金属层厚度为2100。
一种共晶焊的硅金属化的金属件的金属化工艺，其步骤为：
a、硅片表面处理：硅片先正面贴膜后背面减薄到225um，然后背面在1L的HNO3：HF：HAC：H2O=40：1：2：20的溶液中去应力腐蚀5分钟，冲水10分钟，在1L的H2O：NH4F：H2O2=10：1：1的溶液中去污腐蚀液腐蚀5分钟，冲水10分钟，在1L的NH4F：HF=10：1的溶液中清洗5分钟，冲水10分钟，在1L 的H2O：HF=100：1 溶液中腐蚀5分钟，冲水10分钟后正面去膜，甩干后待用；
b、Ti金属层蒸发：将按步骤a处理过的衬底硅片在190℃恒温烘烤10分钟，然进行Ti金属的蒸发，Ti金属蒸发层厚度为1100，蒸发速率为15/S；
c、Ni金属层蒸发：完成步骤b的具有Ti金属层的衬底硅片放入真空室中自然降温到185℃，然后进行Ni金属的蒸发，Ni金属蒸发层厚度为2900，蒸发速率为5/S；
d、SnAg合金层蒸发：完成步骤c 的Ni金属层蒸发后，将具有Ti金属层和Ni金属层的衬底硅片放入真空室自然降温到155℃，然后进行SnAg合金蒸发，SnAg合金蒸发采用蒸发舟工艺，其中SnAg合金是采用质量分数为Sn金属60%和Ag金属40%均匀混合制做成合金块金属。SnAg合金块金属分三个蒸发舟蒸发，每个蒸发舟蒸发厚度为4000，三个蒸发舟共蒸发SnAg合金厚度为12000；
e、Au金属层蒸发：将完成SnAg合金层蒸发的衬底硅片放入真空室温度自然降到85℃，然后进行Au金属的蒸发，Au金属蒸发层厚度为2100，蒸发速率25/S 。
Claims (4)
1.一种共晶焊的硅金属化的金属件的金属化工艺，其特征在于：衬底为硅片，第四层为Ti金属层，第三层为Ni金属层，第二层为SnAg合金层，顶层为Au金属层，其金属化工艺步骤为：
a、衬底硅片处理，硅片先正面贴膜后背面减薄到220±5um，然后背面依次去应力腐蚀、去污腐蚀液腐蚀、HF腐蚀后正面去膜，甩干后待用；
b、Ti金属蒸发：将按步骤a处理过的衬底硅片在200±10℃恒温烘烤10分钟，然进行Ti金属的蒸发，蒸发速率为10±5/S；
c、Ni金属蒸发：完成步骤b的具有Ti金属层的衬底硅片放入真空室中自然降温到180±5℃，然后进行Ni金属的蒸发，蒸发速率为10±5/S；
d、SnAg合金蒸发：完成步骤c 的Ni金属蒸发后，将具有Ti金属层和Ni金属层的衬底硅片放入真空室自然降温到150±5℃，然后进行SnAg合金蒸发，SnAg合金蒸发采用蒸发舟工艺，蒸发舟蒸发两种金属的合金，可将金属均匀蒸镀到硅片表面，其中SnAg合金是采用Sn金属和Ag金属均匀混合制做成的合金块金属，其中Sn金属和Ag金属的质量分数为Sn 55-65%、Ag35-45%；
e、Au金属蒸发：将完成SnAg合金层蒸发的衬底硅片放入真空室温度自然降到90±5℃，然后进行Au金属的蒸发，蒸发速率15±5/S 。
2.根据权利要求1所述的一种共晶焊的硅金属化的金属件的金属化工艺，其特征在于：第四层Ti金属层厚度为1000±100，第三层Ni金属层厚度为3000±100，第二层SnAg合金层厚度为12000±900，顶层Au金属层厚度为2000±100。
3.根据权利要求1或2所述的一种共晶焊的硅金属化的金属件的金属化工艺，其特征在于：所述步骤d中SnAg合金蒸发采用蒸发舟工艺，其中共三个蒸发舟，每个蒸发舟蒸发SnAg合金厚度为4000±300，三个蒸发舟共蒸发SnAg合金厚度为12000±900。
4.根据权利要求3所述的一种共晶焊的硅金属化的金属件的金属化工艺，其特征在于：所述步骤a为硅片先正面贴膜后背面减薄到220±5um，然后背面在HNO3：HF：HAC：H2O=40：1：2：20的溶液中去应力腐蚀5分钟，冲水10分钟，在H2O：NH4F：H2O2=10：1：1的溶液中去污腐蚀液腐蚀5分钟，冲水10分钟，在NH4F：HF=10：1溶液中清洗5分钟，冲水10分钟，在H2O：HF=100：1溶液中腐蚀5分钟，冲水10分钟后正面去膜，甩干后待用。
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