CN109514018A - 一种半导体器件的金锡环封盖工艺方法 - Google Patents

一种半导体器件的金锡环封盖工艺方法 Download PDF

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Abstract

一种半导体器件的金锡环封盖工艺方法，包括以下特征：(1)预先加工适于半导体器件封盖的定位夹具，(2)设定真空加热的温度曲线；(3)选用合适的Au80Sn20预成型金锡环焊片；(4)对器件、盖板和金锡环焊片进行预处理；(5)依次放入定位夹具内、盖上压块，送入真空炉内；(6)开启真空泵抽真空，真空度达标后按照设定温度曲线加热，壳体和盖板焊接在一起。本方法优点：①盖板厚度无要求，封盖后机械强度大，盖板耐压大；②对封装的半导体器件材料无要求；③封装应力小；④无须特殊处理可经受住盐雾试验，使器件在腐蚀性气体下长期可靠地运行。适用于需要高可靠性陶瓷金属结构气密封装的微波半导体器件和集成电路。

Description

一种半导体器件的金锡环封盖工艺方法
所属领域
本发明涉及半导体器件，尤其涉及半导体器件的封盖，具体来说，涉及半导体器件的后道封盖工艺。
背景技术
在半导体行业中，主要使用平行缝焊完成金属盖板封装的封盖工艺，该工艺中电极轮会对产品金属盖板的镀金层会造成一定损坏，焊接过程中会出现的焊料外溢、管口表面不浸润、焊接区出现孔洞等影响气密性的技术问题，最终影响产品的盐雾实验合格率。
封盖过程通常使用金锡（Au80Sn20）环封盖，其技术原理是通过加热，使金锡环熔化，冷却后在封盖面形成合金，使盖板与外壳紧密结合。一般金锡合金的熔点在共晶温度附近时，对金的成分是非常敏感的，当金的重量比大于80%时，随着金的增加，熔点急剧提高。而被焊件往往都有镀金层，在焊接过程中镀金层的金会浸入焊料。过厚的镀金层，过薄的预成型焊片、过长的焊接时间下、都会使浸入焊料的金增加，从而使熔点上升。因此如何确保金锡环封盖工艺的稳定性和可靠性，最终提高相关产品的抗盐雾能力，是一个技术难题。
经检索，中国专利数据库中涉及半导体器件封盖的专利申请件不多，仅有CN201449999U号《高可靠霍尔集成电路高纯氮气氛封盖装置》、CN105304479A号《用于互连的自对准阻挡层和封盖层》、CN106910704A号《集成电路气密性封盖工艺用底座》、CN207165525U号《一种密封盖结构及湿法刻蚀设备》等几件，均不能解决确保金锡环封盖工艺的稳定性和可靠性的技术难题。
发明内容
本发明旨在提供一种半导体器件的金锡环封盖工艺方法，以解决现有技术的难题，确保金锡环封盖工艺的稳定性和可靠性，最终提高相关产品的抗盐雾能力。
发明人提供的半导体器件的金锡环封盖工艺方法，包括以下特征：
(1)根据半导体器件产品的实际尺寸，预先加工适于半导体器件封盖的定位夹具，以实现批次同时进行封盖并保证其精确定位，所述的夹具是一种倒置型真空封盖夹具；
(2)按照封盖工艺的“真空烘烤--充氮熔封--快速冷却”三步要求，设定真空加热的温度曲线，以实现“快速预热，液相温度最短时间上升至峰值温度，固化后快速冷却” 的加热周期；
(3)根据壳体及盖板的平整度选用合适的Au80Sn20预成型金锡环焊片，确保壳体与盖板之间的密封；
(4)对器件、盖板和金锡环焊片进行预处理：清洗、氮气吹干，以去除壳体及盖板表面的污染；
(5)将清洁的盖板、金锡环焊片和器件依次放入定位夹具内、盖上压块，批量地送入真空炉内，关上炉门；
(6) 开启真空泵抽真空，待真空度达到设定指标之后，按照设定真空加热的温度曲线加热、加压，器件与盖板加热到熔点温度后与金锡环焊片形成共熔、共晶，使壳体和盖板焊接在一起；然后降温，最后停止加热，开启炉门，取出产品。
上述特征之(1)中，所述倒置型真空封盖夹具由定位块和压块组成，定位块为立方形，其中部是置放器件外壳的空间，前后各有一根定位柱，用以限制器件外壳的位置并与压块套接；中心有一个真空孔，用以吸住器件外壳，使其位置稳定；定位块两边有插槽，用以承接压块；压块是与定位块匹配的立方型，前后各有一个插脚，使用时插入定位块两边的插槽；中部有两个圆柱形定位孔，用来与定位块的定位柱配合固定器件外壳，中部还开有两个方孔，器件外壳的两边外露即可与盖板用金锡环焊片进行热熔。
上述特征之(2)中，所述封盖工艺的“真空烘烤--充氮熔封--快速冷却”三步要求，其中第一步真空烘烤的作用是为了排除腔体内部的水汽，氧气等有害气体，第二步充氮熔封作用是提供稳定的封盖环境，第三步快速冷却的作用是细化焊接层面的晶粒尺寸；
上述特征之(3)中，所述合适的Au80Sn20预成型金锡环焊片是与壳体及盖板的平整度是相互关联的焊片，若壳体与盖板的金属表面很平整，焊料不需要很厚就能完全润湿，但当壳体与盖板之间存在缝隙时，需要选取厚度合适的合金焊片。
上述特征之(4)中，所述清洗是将器件、盖板和焊片分别在丙酮和乙醇中超声清洗，清洗时间控制在丙酮中15min和乙醇中5min。
上述特征之(5)中，所述真空炉是德国进口设备SRO702真空炉。
上述特征之(6)中，所述真空度的指标为-3mbar(-3×10-4MPa)；所述熔点温度为380℃。
本发明的半导体器件的金锡环封盖工艺方法具有以下优点：①盖板厚度无要求，封盖后机械强度大，盖板耐压大；②对封装的半导体器件材无要求，柯伐合金、铜、铝均可以实现气密封装；③封装应力小，只要选取与壳体一致的材料作为盖板材料，就可以使器件承受最严酷的使用条件；④无须经过任何特殊处理就可经受住盐雾试验，使器件可以在腐蚀性气体下长期可靠地运行。本方法可以应用在很多需要高可靠性陶瓷金属结构气密封装的微波半导体器件和集成电路中。
附图说明
图1为本封盖方法的夹具及其使用示意图。
图中，1为定位块，2为外壳，3为压块，4为金属盖板，5为金锡环。
图2为设定的加热温度曲线示意图。
具体实施方式
实施例 用本发明方法对半导体器件进行金锡环封盖
首先，根据半导体器件产品的实际尺寸，预先加工适于半导体器件封盖的定位夹具，以实现批次同时进行封盖并保证其精确定位，所述的夹具是一种倒置型真空封盖夹具；该夹具由定位块1和压块3组成，定位块1为立方形，其中部是置放器件外壳的空间，前后各有一根定位柱，中心有一个真空孔，定位块1两边有插槽；压块3是与定位块1匹配的立方型，前后各有一个插脚，使用时插入定位块1两边的插槽；中部有两个圆柱形定位孔，中部开有两个方孔，用于外露器件外壳的两边。
接着，按照封盖工艺的“真空烘烤--充氮熔封--快速冷却”三步要求，设定真空加热的温度曲线，以实现“快速预热，液相温度最短时间上升至峰值温度，固化后快速冷却”的加热周期；真空烘烤的作用是为了排除腔体内部的水汽，氧气等有害气体，充氮熔封作用是提供稳定的封盖环境，快速冷却的作用是细化焊接层面的晶粒尺寸。
之后，根据壳体及盖板的平整度选用合适的Au80Sn20预成型金锡环焊片，确保壳体与盖板之间的密封；如壳体与盖板的金属表面很平整，焊料不需要很厚就能完全润湿，但当壳体与盖板之间存在缝隙时，需要选取厚度合适的合金焊片。
同时，对器件、盖板和金锡环焊片进行预处理：清洗将器件、盖板和焊片分别在丙酮和乙醇中超声清洗，清洗时间控制在丙酮中15min和乙醇中5min，之后氮气吹干，以去除壳体及盖板表面的污染；
准备工作完成后，将清洁的盖板、金锡环焊片和器件依次放入定位夹具内、盖上压块，批量地送入SRO702型真空炉内，关上炉门；开启真空泵抽真空，待真空度达到设定指标-3mbar(-3×10-4MPa)之后，按照设定真空加热的温度曲线加热、加压，器件与盖板加热到熔点温度380℃后与金锡环焊片形成共熔、共晶，使壳体和盖板焊接在一起；然后降温，最后停止加热，开启炉门，取出产品。

Claims (7)

1.一种半导体器件的金锡环封盖工艺方法，其特征包括：
(1)根据半导体器件产品的实际尺寸，预先加工适于半导体器件封盖的定位夹具，以实现批次同时进行封盖并保证其精确定位，所述的夹具是一种倒置型真空封盖夹具；
(2)按照封盖工艺的“真空烘烤--充氮熔封--快速冷却”三步要求，设定真空加热的温度曲线，以实现“快速预热，液相温度最短时间上升至峰值温度，固化后快速冷却” 的加热周期；
(3)根据壳体及盖板的平整度选用合适的Au80Sn20预成型金锡环焊片，确保壳体与盖板之间的密封；
(4)对器件、盖板和金锡环焊片进行预处理：清洗、氮气吹干，以去除壳体及盖板表面的污染；
(5)将清洁的盖板、金锡环焊片和器件依次放入定位夹具内、盖上压块，批量地送入真空炉内，关上炉门；
(6) 开启真空泵抽真空，待真空度达到设定指标之后，按照设定真空加热的温度曲线加热、加压，器件与盖板加热到熔点温度后与金锡环焊片形成共熔、共晶，使壳体和盖板焊接在一起；然后降温，最后停止加热，开启炉门，取出产品。
2.按照权利要求1所述的工艺方法，其特征在于 (1)中所述倒置型真空封盖夹具由定位块和压块组成，定位块为立方形，其中部是置放器件外壳的空间，前后各有一根定位柱，用以限制器件外壳的位置并与压块套接；中心有一个真空孔，用以吸住器件外壳，使其位置稳定；定位块两边有插槽，用以承接压块；压块是与定位块匹配的立方型，前后各有一个插脚，使用时插入定位块两边的插槽；中部有两个圆柱形定位孔，用来与定位块的定位柱配合固定器件外壳，中部还开有两个方孔，器件外壳的两边外露即可与盖板用金锡环焊片进行热熔。
3.按照权利要求1所述的工艺方法，其特征在于(2)中所述封盖工艺的“真空烘烤--充氮熔封--快速冷却”三步要求，其中第一步真空烘烤的作用是为了排除腔体内部的水汽，氧气等有害气体，第二步充氮熔封作用是提供稳定的封盖环境，第三步快速冷却的作用是细化焊接层面的晶粒尺寸。
4.按照权利要求1所述的工艺方法，其特征在于(3)中所述合适的Au80Sn20预成型金锡环焊片是与壳体及盖板的平整度是相互关联的焊片，若壳体与盖板的金属表面很平整，焊料不需要很厚就能完全润湿，但当壳体与盖板之间存在缝隙时，需要选取厚度合适的合金焊片。
5.按照权利要求1所述的工艺方法，其特征在于(4)中所述清洗是将器件、盖板和焊片分别在丙酮和乙醇中超声清洗，清洗时间控制在丙酮中15min和乙醇中5min。
6.按照权利要求1所述的工艺方法，其特征在于(5)中所述真空炉是德国进口设备SRO702真空炉。
7.按照权利要求1所述的工艺方法，其特征在于 (6)中所述真空度的指标为-3mbar；所述熔点温度为380℃。
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