CN108155095A - 一种GaN功率放大芯片高热导率烧结方法 - Google Patents

一种GaN功率放大芯片高热导率烧结方法 Download PDF

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张波
贾海斌
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    • H01L2224/8384—Sintering

Abstract

本发明公开了一种GaN功率放大芯片高热导率烧结方法，将GaN功率放大芯片安装至金属承载结构上；采用超声清洗、等离子清洗工艺对金属承载结构进行清洗；采用气动点胶机将纳米银或纳米银铜胶体涂覆至金属承载结构上，并根据芯片面积严格控制胶体厚度；采用贴片机将芯片贴放至金属承载结构上，在空气氛围或氮气氛围中进行烧结，根据芯片面积、烧结氛围严格控制烧结工艺参数，实现GaN功率放大芯片的高热导率烧结。本发明以简捷的方法实现GaN功率放大芯片的高热导率烧结，能满足大功率GaN芯片在大占空比或者连续波情况下的长时间工作要求。

Description

一种GaN功率放大芯片高热导率烧结方法
技术领域
本发明涉及一种功率放大芯片的烧结方法，特别是一种GaN功率放大芯片的高热导率烧结方法。
背景技术
近年来，随着战场隐身、超机动、抗干扰等新战略、战术目标的出现，对弹载电子设备的探测距离、探测精度的要求越来越高，相应电子设备的发射功率、工作时间也呈数量级增长趋势。作为第三代半导体典型代表的GaN芯片由于功率密度大、工作结温高已经逐步开始应用于固态发射机、相控阵T/R子阵的研制过程。
传统的功率放大芯片通过金锡共晶焊工艺实现芯片的装架，该工艺需要在285℃～300℃温度下快速完成芯片的焊接过程，不仅对人员操作技能、金属结构件镀层的耐高温性能都有较高要求，而且金锡合金层热导率较低，远不能满足大功率GaN芯片在大占空比或者连续波情况下长时间工作要求。因此，有必要对GaN功率放大芯片高热导率烧结方法进行研究。以GaN芯片为代表的第三代半导体应用技术属于前沿技术，对于电子设备中GaN功率放大芯片的微组装工艺，国内外都未见报道。
发明内容
本发明目的在于提供一种GaN功率放大芯片高热导率烧结方法，解决以往基于金锡合金共晶工艺不能满足大功率GaN芯片高效散热的问题。
一种GaN功率放大芯片高热导率烧结方法的具体步骤为：
第一步金属承载结构清洗
将表面完成镀金、镀银或镀铜处理的金属承载结构放入超声波清洗机进行清洗，清洗溶液为酒精或者丙酮，清洗温度50℃～70℃，清洗时间5～10分钟。超声清洗完成后进行等离子清洗，清洗介质为高纯氩气，清洗时间2～5分钟；
第二步胶体涂覆
用气动点胶机将纳米银胶体或纳米银铜合金胶体均匀涂覆至完成清洗的金属承载结构表面，对于面积为1mm2～20mm2范围的GaN功率放大芯片，其胶体涂覆厚度为18μm～30μm；对于面积为21mm2～100mm2范围的GaN功率放大芯片，其胶体涂覆厚度为30μm～60μm；
第三步芯片装架
采用带有压力传感装置的贴片设备将GaN芯片贴放至涂覆完胶体的金属承载结构上，并挤压至GaN芯片4周有可见胶体溢出，挤压压力为1gf/mm2～2gf/mm2；
第四步芯片烧结
将完成芯片装架的金属承载结构放入空气气氛或氮气气氛中进行烧结。
对于面积为1mm2～20mm2的芯片，在空气氛围烧结工艺为180℃～220℃，保温90～150分钟，升温速率为3℃/min～6℃/min；在氮气氛围烧结工艺为220℃～260℃，保温时间90～150分钟，升温速率为6℃/min～9℃/min。
对于面积为21mm2～100mm2的芯片，在空气氛围烧结工艺为先以5℃/min～7℃/min的速率升温至100℃～130℃，保温30～40分，再以3℃/min～5℃/min的速率升温至180℃～220℃，保温90～150分钟；在氮气氛围烧结工艺为先以8℃/min～10℃/min的速率升温至140℃～160℃，保温30～40分，再以5℃/min～8℃/min的速率升温至220℃～260℃，保温90～150分钟。烧结过程压力为0.1MPa～10MPa；
第五步芯片冷却
将第四步完成烧结的芯片取出烘箱，并且自然冷却至室温待用。
至此完成GaN功率芯片的高热导率烧结过程。
本发明能够以较为简捷的烧结方法，有效提高功率放大芯片的散热速率，对提高GaN功率放大芯片的工作时间具有重要意义。本发明解决了高功率密度T/R子阵、大功率固态发射机功放模块、宽带连续波发射模块中GaN芯片的高热导率装架问题，满足霹雳-17、红旗-20等对功率放大芯片长时间工作的使用需求。
具体实施方式
一种GaN功率放大芯片高热导率烧结方法在镀铜金属承载结构上采用氮气气氛烧结时，具体实施步骤为：
第一步 金属承载结构清洗
将表面完成镀铜处理的金属承载结构放入超声波清洗机进行清洗，清洗溶液为酒精，清洗温度50℃，清洗时间10分钟，超声清洗完成后，用氮气枪将金属承载结构表面吹干。超声清洗完成后进行等离子清洗，清洗介质为高纯氩气，清洗时间2分钟；
第二步 胶体涂覆
用气动点胶机将纳米银胶体均匀涂覆至完成清洗的金属承载结构表面，对于面积为15.3mm2的GaN功率放大芯片，涂覆厚度控制于18μm～20μm之间；
第三步 芯片装架
采用带有压力传感装置的贴片设备将GaN芯片贴放至涂覆完胶体的金属承载结构上，并挤压至GaN芯片3/4周长有可见胶体溢出，挤压压力为2gf/mm2；
第四步 芯片烧结
将完成芯片装架的金属承载结构放入氮气气氛烘箱中进行烧结，对于面积为15.3mm2的芯片，在氮气氛围烧结工艺为250℃，保温时间为120分钟，升温速率为8.3℃/min，烧结过程压力为0.1MPa；
第五步 芯片冷却
将第四步完成烧结的芯片取出烘箱，并且自然冷却至室温待用。
至此完成GaN功率芯片的高热导率烧结过程。

Claims (3)

1.一种GaN功率放大芯片高热导率烧结方法，其特征在于具体步骤为：
第一步 金属承载结构清洗
将表面完成金属镀膜处理的金属承载结构放入超声波清洗机进行清洗，清洗溶液为酒精或者丙酮，清洗温度50℃～70℃，清洗时间5～10分钟；超声清洗完成后进行等离子清洗，清洗介质为高纯氩气，清洗时间2～5分钟；
第二步 胶体涂覆
用气动点胶机将纳米金属胶体均匀涂覆至完成清洗的金属承载结构表面，对于面积为1mm2～20mm2范围的GaN功率放大芯片，其胶体涂覆厚度为18μm～30μm；对于面积为21mm2～100mm2范围的GaN功率放大芯片，其胶体涂覆厚度为30μm～60μm；
第三步 芯片装架
采用带有压力传感装置的贴片设备将GaN芯片贴放至涂覆完胶体的金属承载结构上，并挤压至GaN芯片4周有可见胶体溢出，挤压压力为1gf/mm2～2gf/mm2；
第四步 芯片烧结
将完成芯片装架的金属承载结构放入空气气氛或氮气气氛中进行烧结；
对于面积为1mm2～20mm2的芯片，在空气氛围烧结工艺为180℃～220℃，保温90～150分钟，升温速率为3℃/min～6℃/min；在氮气氛围烧结工艺为220℃～260℃，保温时间90～150分钟，升温速率为6℃/min～9℃/min；
对于面积为21mm2～100mm2的芯片，在空气氛围烧结工艺为先以5℃/min～7℃/min的速率升温至100℃～130℃，保温30～40分，再以3℃/min～5℃/min的速率升温至180℃～220℃，保温90～150分钟；在氮气氛围烧结工艺为先以8℃/min～10℃/min的速率升温至140℃～160℃，保温30～40分，再以5℃/min～8℃/min的速率升温至220℃～260℃，保温90～150分钟；烧结过程压力为0.1MPa～10MPa；
第五步 芯片冷却
将第四步完成烧结的芯片取出烘箱，并且自然冷却至室温待用；
至此完成GaN功率芯片的高热导率烧结过程。
2.根据权利要求1所述的GaN功率放大芯片高热导率烧结方法，其特征在于：在第一步中，所述金属镀膜处理为镀金、镀银或镀铜处理；在第二步中，所述纳米金属胶体为纳米银胶体或纳米银铜合金胶体。
3.根据权利要求2所述的GaN功率放大芯片高热导率烧结方法，其特征在于：
第一步中，将表面完成镀铜处理的金属承载结构放入超声波清洗机进行清洗，清洗溶液为酒精，清洗温度50℃，清洗时间10分钟，超声清洗完成后，用氮气枪将金属承载结构表面吹干；超声清洗完成后进行等离子清洗，清洗介质为高纯氩气，清洗时间2分钟；
第二步中，用气动点胶机将纳米银胶体均匀涂覆至完成清洗的金属承载结构表面，对于面积为15.3mm2的GaN功率放大芯片，涂覆厚度控制于18μm～20μm之间；
第三步中，采用带有压力传感装置的贴片设备将GaN芯片贴放至涂覆完胶体的金属承载结构上，并挤压至GaN芯片3/4周长有可见胶体溢出，挤压压力为2gf/mm2；
第四步中，将完成芯片装架的金属承载结构放入氮气气氛烘箱中进行烧结，对于面积为15.3mm2的芯片，在氮气氛围烧结工艺为250℃，保温时间为120分钟，升温速率为8.3℃/min，烧结过程压力为0.1Mpa。
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