CN108109979A - 一种半导体集成电路芯片焊接的方法 - Google Patents

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周东
胡锐
丁昭会
王德成
段方
尹国平
聂平建
蔡景洋
唐拓
刘岗岗
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Abstract

本发明公开了一种半导体集成电路芯片焊接的方法，该方法工艺流程是将管基放在真空烧结炉内，接着将焊料片置于管基的相应位置，再将芯片放在焊料片正上方，之后开启保护性气体，进入焊接程序，开启冷却气体，焊接程序结束并冷却后打开真空烧结炉，取出产品，焊接完成。本发明方法由于减小了焊料片的面积，节约了成本，而且芯片周围的焊料是在合金焊接的过程中溢出的，而不是在合金焊之前就存在；采取在高温阶段打开冷却气体，使得焊接系统的各向同性比较好，从而使芯片底部的焊料均匀地溢出到芯片边缘。适用于半导体集成电路生产（后道封装）过程中芯片的焊接。

Description

一种半导体集成电路芯片焊接的方法
技术领域
本发明涉及制造半导体器件的方法，具体来说，涉及半导体集成电路芯片的焊接方法。
技术背景
在传统的半导体集成电路生产（后道封装）领域，通常采用真空烧焊工艺完成大功率芯片的焊接。该工艺流程简述如下：将管基、基片、芯片、焊料片置于它们的设计位置组装，接着将组装的产品固定在焊接夹具上，再将固定有产品的夹具送入真空烧结炉进行烧结，过程中充入保护性气体，之后开始焊接，焊接程序结束时开启冷却气体，冷却后打开真空烧结炉，取出产品，焊接完成。
这种工艺存在以下几个问题:（1）为了避免芯片焊接完成后边缘存在缝隙，使用的焊料片通常比芯片略大，焊接过程中芯片周围的焊料熔化后容易形成焊料球；（2）焊接完成后芯片周围焊料的分布基本上由焊接前芯片边缘的焊料分布决定，如果焊料片和芯片的相对位置定位不够准确，则可能导致芯片周围的焊料分布不均匀；（3）焊料片偏大造成生产成本增加，另外，原有设备没有温度补偿功能，因此在合金焊接过程中，须降温后才能够开启冷却气体，这一过程中，如果各个方向没有流向芯片的冷却气体，则烧结系统的各项同性比较差；因而焊料熔化后，往往沿着芯片的某一个方向溢出，从而形成焊料球。
经检索，芯片焊接的专利申请件很多，例如2012102820186号《一种用于检测静电放电保护芯片焊接异常的装置及方法》、201210375482X号《一种银硅共晶焊接芯片的方法》、ZL13105326099号《半导体芯片及其制造方法和焊接半导体芯片与载体的方法》、ZL2014103173746号《一种芯片焊接方法》、2015102529921号《大功率激光芯片的焊接方法》等。众多专利技术各有特点。但尚不能解决现有半导体集成电路生产存在的问题。
发明内容
本发明旨在提供一种半导体集成电路芯片焊接的方法，以提高焊接系统中芯片周围的各向同性，解决组装完成后芯片边缘存在缝隙的问题，从而增加芯片焊接的剪切强度。
发明人提供的半导体集成电路芯片焊接的方法，工艺流程如下：将管基放在真空烧结炉内，接着将焊料片置于管基的相应位置，再将芯片放在焊料片正上方，之后开启保护性气体，进入焊接程序，开启冷却气体，焊接程序结束并冷却后打开真空烧结炉，取出产品，焊接完成。
上述方法中，所述焊料片的面积约为芯片面积的80%～90%。
上述方法中，所述冷却气体是在焊料片软化以后立即开启的。
上述方法中，所述焊接程序的温度控制如下：焊接程序初期，温度上升后控制比焊料熔点略低；待焊料开始软化，继续升温焊料熔点大约高30℃，以保证焊料充分软化；待焊料充分软化后将焊接系统的温度升高到焊料的熔点之上，使焊料充分熔化，焊接程序结束。
发明人指出：本发明采取了两个重要措施对芯片焊接工艺进行改进：一是为了解决由于焊料片偏大造造成的一系列问题，采用比芯片略小的焊料片，因为焊料熔化为液态后，有很好的流动性，原有的芯片大，焊接过程中芯片周围的焊料熔化后容易形成焊料球；同时，焊料片的面积又能太小，太小不能保证有足够的焊料溢出到芯片边缘。二是为了保证合金焊接系统具有比较好的各向同性，在焊接过程中，焊料片软化以后立即开启冷却气体，使焊接系统的各个方向都具有流向芯片的冷却气体，从而保证焊料在溢出后沿芯片的边缘均匀分布。由于现在的焊接设备都具有自动温度补偿功能，所以，在高温阶段打开冷却气体不会造成合金焊接系统大幅度降温。
发明人在生产实际中，通过各种试验已经证实，该方法能够成功用于半导体集成电路生产（后道封装）过程中芯片的组装工艺中。
本发明方法由于减小了焊料片的面积，节约了成本，而且芯片周围的焊料是在合金焊接的过程中溢出的，而不是在合金焊之前就存在；采取在高温阶段打开冷却气体，使得焊接系统的各向同性比较好，从而使芯片底部的焊料均匀地溢出到芯片边缘。适用于半导体集成电路生产（后道封装）过程中芯片的焊接。
附图说明
图1为原有的真空烧焊流程框图；图2 为本发明的生产流程框图；图3为传统合金焊接工艺的芯片与焊料片的相对尺寸（左）与本发明工艺的芯片和焊料片的相对尺寸（右）比较示意图，其中1为芯片，2为焊料片，3为管基；图4为传统的合金焊接工艺的温度曲线和本发明的温度曲线示意图。
图4的相关说明：由于温度由焊料片性质所决定，所以本发明方法温度曲线的温度值与传统合金焊接的温度没有差异，本发明温度曲线与传统工艺温度曲线的差异在于开启冷却气体的时间不同，传统工艺开启冷却气体的时间为B点，而本发明方法开启冷却气体的时间为A点。
具体实施方式
实施例1：某半导体器件的芯片焊接，具体做法是：将管基放在真空烧结炉内，接着将Au80Sn20焊料片置于管基的相应位置，再将芯片放在焊料片正上方，焊料片的面积约为芯片面积的80%～90%。之后开启保护性气体，进入焊接程序，在焊料片软化以后立即开启开启冷却气体，焊接程序结束并冷却后打开真空烧结炉，取出产品，焊接完成。
焊接程序的温度控制如下：焊接程序初期5min，温度上升后控制比焊料熔点280℃略低，控制在275℃10min以上；待焊料开始软化，继续升温2min，控制温度在310℃10min以上，以保证焊料充分软化；待焊料充分软化后将焊接系统的温度升高到焊料的熔点之上，使焊料充分熔化，焊接程序结束。
实施例2：某半导体器件的芯片焊接，具体做法是：将管基放在真空烧结炉内，接着将Sn96.5Ag3.5焊料片置于管基的相应位置，其余同实施例1。
焊接程序的温度控制如下：焊接程序初期，温度上升后控制比焊料熔点220℃略低，控制在215℃10min以上；待焊料开始软化，继续升温2min，控制温度在260℃10min以上，以保证焊料充分软化；待焊料充分软化后将焊接系统的温度升高到焊料的熔点之上，使焊料充分熔化，焊接程序结束。

Claims (4)

1.一种半导体集成电路芯片焊接的方法，其特征在于：该方法工艺流程是将管基放在真空烧结炉内，接着将焊料片置于管基的相应位置，再将芯片放在焊料片正上方，之后开启保护性气体，进入焊接程序，开启冷却气体，焊接程序结束并冷却后打开真空烧结炉，取出产品，焊接完成。
2.如权利要求1所述的焊接方法，其特征在于所述焊料片的面积约为芯片面积的80%～90%。
3.如权利要求1所述的焊接方法，其特征在于所述冷却气体是在焊料片软化以后立即开启的。
4.如权利要求1所述的焊接方法，其特征在于所述焊接程序的温度控制如下：焊接程序初期，温度上升后控制比焊料熔点略低；待焊料开始软化，继续升温，控制温度高于焊料熔点，以保证焊料充分软化；待焊料充分软化后将焊接系统的温度升高到焊料的熔点之上，使焊料充分熔化，焊接程序结束。
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