CN109994373B - 一种微组装裸芯片连接及返修方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微组装领域，具体涉及一种微组装裸芯片连接及返修方法，包括如下步骤：A、装配连接；B、施压固定；C、烧结；D、钎焊；E、检查；F、分解；G、返修；本发明的优点在于：能够很方便的实现裸芯片的微组装，工艺简单、质量可控、性能稳定，芯片与钼铜载体之间封装界面耐高温、连接强度高，采用本方法制造出的组件，芯片连接界面的熔化温度远大于600℃，受温度循环和其他工艺(如返修等)的热冲击影响极小，只要芯片未受到损伤，即可通过适当的返修工艺进行更换，可满足军用电子产品中单片电路、混合电路、多芯片电路以及微波集成电路组件等等的高可靠性制造的需要，大大降低了芯片的报废率。
Description
技术领域
本发明涉及微组装领域，具体涉及一种微组装裸芯片连接及返修方法。
背景技术
近年来，随着科技的进步以及航空航天产业的发展，极限工作温度在200℃左右的传统的硅半导体器件以及砷化镓器件等已经难以适应5G通信时代及国家重大工程(如“探月计划”、“空天飞机”、“载人空间站”)和外太空商业利用的需求，新型的碳化硅、氮化镓等材料具有禁带宽度大、击穿电压高、热导率大、介电常数小等优点也逐步展现出了巨大的潜力。且由于碳化硅、氮化镓芯片能较好适应航空航天装备需在高温、高频、高湿等环境下工作的特性，已经引起了全世界的关注，美国国防部和能源部先后启动了“宽禁带半导体技术计划”和“氮化物电子下一代技术计划”，欧洲也相应开展了面向高可靠性航天的“GREAT2”计划及面向国防和商业应用的“KORRIGAN”计划。可见，第三代半导体材料正在引领着新一代信息技术革命，关于其应用的研究也是世界各国芯片领域研究的热点。
碳化硅、氮化镓芯片可在较高温度下工作，部分报道中碳化硅裸芯片甚至可在600℃下长时间服役，然而目前市场上与其配套的连接方式(目前最高温为Au-Sn钎料，280℃)并不能耐此高温。虽然碳化硅、氮化镓芯片已经在尖端军事雷达及航空航天设备中有所应用，但现有的封装方法却在充分发挥芯片性能的方面有着较大的困难，已经逐渐成为制约芯片在严苛环境下性能提升的难题。
目前对于纳米银焊膏可见的报道及专利大都集中在光电领域的封装，在裸芯片微组装领域尚未见公开研究或报道，而光电领域的研究对于目前新一代半导体芯片应用最广泛的雷达、大型计算机及航空航天装备中的适用性并不高。以往微组装工艺中采用钎料(An基、Sn基、In基等)封装芯片的方法，虽然有着较好的软钎焊性等优点，但在大温变、高辐射或高振动等环境等下使用的抗热冲击、抗辐射、抗强振等能力较差，导致大部分雷达、大型计算机及航空航天设备中仍然离不开额外的保障措施。而且新一代芯片的功率大、发热量高，现有连接方式在实际应用中限制了耐高温SiC芯片能力的完全发挥，同时现有技术中的连接方式不能满足芯片多次返修的要求，导致芯片返修受限而报废，因而开发一种微组装裸芯片连接及返修的方法在电子工业中的微组装领域具有重要的应用价值及理论指导意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：现有技术中裸芯片微组装连接方式不耐高温、连接强度较差的问题。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种微组装裸芯片连接及返修方法，包括如下步骤：
A、装配连接：在钼铜载体上需安装裸芯片的位置涂覆纳米银焊膏，将裸芯片置于纳米银焊膏上，钼铜载体与裸芯片、纳米银焊膏组成裸芯片模块；
B、施压固定：对钼铜载体与裸芯片之间施加大小为100Pa～0.1MPa的压力进行固定；
C、烧结：将被施压固定的裸芯片模块置于烧结环境中，并对烧结环境抽真空至0.1～50Pa，充入氮气保护，氧气浓度<1000ppm，以升温速率为5～15℃/min升温，将裸芯片模块加热到250～270℃，然后在温度为250～270℃的条件下保温10～15min，接着在最高温为280～300℃环境中进行烧结，烧结时间不少于3min，最后出炉自然冷却至室温，冷却后撤去施加在钼铜载体与裸芯片之间的压力；
D、钎焊：将烧结后的裸芯片模块通过钎料钎焊在主体上，连接面为钼铜载体的底面；
E、检查：检查目标裸芯片模块及主体是否需要更换；
若均需更换，则直接报废；
若需要更换裸芯片模块或者主体，或者，仅需重新钎焊，则进行下述步骤；
F、分解：将裸芯片模块与主体之间的钎料加热至熔化，将裸芯片模块与主体分解；
G、返修：若需更换裸芯片模块，则去除原主体上多余的钎料，并将新的裸芯片模块通过新的钎料钎焊在原主体上；
若需更换主体，将原裸芯片模块通过新的钎料钎焊在新的主体上；
若仅需重新钎焊，则去除原主体上多余的钎料，将原裸芯片模块通过新的钎料钎焊在原主体上。
通过上述的一种微组装裸芯片连接及返修方法，能够很方便的实现裸芯片的微组装，工艺简单、质量可控、性能稳定，芯片与钼铜载体之间封装界面耐高温、连接强度高，而传统微组装方法制造出的组件仅可以返修一次，返修次数过多导致芯片封装界面的可靠性会急剧下降，因组件或电路板等的损伤而造成昂贵芯片的报废数量较多，但采用本方法制造出的组件，芯片连接界面的熔化温度远大于600℃，受温度循环和其他工艺(如返修等)的热冲击影响极小，只要芯片未受到损伤，即可通过适当的返修工艺进行更换，可满足军用电子产品中单片电路、混合电路、多芯片电路以及微波集成电路组件等等的高可靠性制造的需要，大大降低了芯片的报废率。
优化的，步骤A中，涂覆纳米银焊膏前，用酒精或者丙酮、乙二醇清洗钼铜载体，随后将钼铜载体风干，钼铜载体的清洗可去除其表面的油污、指纹、灰尘等，使后续连接更可靠、效果更好。
优化的，步骤A中，涂覆纳米银焊膏前，在钼铜载体及裸芯片的表面镀金或者银，金、银导电性较好，确保钼铜载体与裸芯片之间连接可靠。
优化的，步骤B中，通过施力部件、芯片压头、托盘对钼铜载体与裸芯片之间施加压力；
将裸芯片模块的钼铜载体底面置于托盘上，然后将芯片压头压在裸芯片的上边缘，并用施力部件对芯片压头的上表面施力，对钼铜载体与裸芯片之间施加压力，可实现二者之间的相对固定，在后续烧结时，可确保二者之间可靠连接。
优化的，所述施力部件为压块，压块压在芯片压头上，采用特定重量的压块对裸芯片施力，结构、原理较为简单，压力大小均匀、连续。
优化的，所述托盘上设置有竖直的立杆，立杆的顶部横向设置有横杆，横杆位于芯片压头上方；
所述施力部件为弹簧，弹簧的下端顶在芯片压头上，弹簧的上端顶在横杆下方，采用弹簧对裸芯片施力，结构、原理较为简单，压力大小均匀、连续。
优化的，步骤C中，烧结在真空回流焊或者真空钎焊设备中进行，在真空回流焊或者真空钎焊设备中进行烧结，烧结效果较好。
优化的，步骤D中，所述主体为壳体或者电路基板，导电良好，焊接可靠。
优化的，所述主体的表面镀金或者银，金、银导电性较好，确保主体与裸芯片模块之间连接可靠。
优化的，所述钎料为Sn-Pb焊膏、Sn-In焊膏、Sn-Ag-Cu焊膏中的一种，Sn-Pb焊膏、Sn-In焊膏、Sn-Ag-Cu焊膏的熔化温度相对较低，可确保返修时易于被加热熔化而不破坏芯片连接界面，进而确保芯片能够多次返修。
本发明的有益效果在于：
1.通过上述的一种微组装裸芯片连接及返修方法，能够很方便的实现裸芯片的微组装，工艺简单、质量可控、性能稳定，芯片与钼铜载体之间封装界面耐高温、连接强度高，而传统微组装方法制造出的组件仅可以返修一次，返修次数过多导致芯片封装界面的可靠性会急剧下降，因组件或电路板等的损伤而造成昂贵芯片的报废数量较多，但采用本方法制造出的组件，芯片连接界面的熔化温度远大于600℃，受温度循环和其他工艺(如返修等)的热冲击影响极小，只要芯片未受到损伤，即可通过适当的返修工艺进行更换，可满足军用电子产品中单片电路、混合电路、多芯片电路以及微波集成电路组件等等的高可靠性制造的需要，大大降低了芯片的报废率。
2.钼铜载体的清洗可去除其表面的油污、指纹、灰尘等，使后续连接更可靠、效果更好。
3.金、银导电性较好，确保钼铜载体与裸芯片之间连接可靠。
4.对钼铜载体与裸芯片之间施加压力，可实现二者之间的相对固定，在后续烧结时，可确保二者之间可靠连接。
5.采用特定重量的压块对裸芯片施力，结构、原理较为简单，压力大小均匀、连续。
6.采用弹簧对裸芯片施力，结构、原理较为简单，压力大小均匀、连续。
7.在真空回流焊或者真空钎焊设备中进行烧结，烧结效果较好。
8.采用壳体或者电路基板，导电良好，焊接可靠。
9.金、银导电性较好，确保主体与裸芯片模块之间连接可靠。
10.Sn-Pb焊膏或者Sn-In焊膏、Sn-Ag-Cu焊膏的熔化温度相对较低，可确保返修时易于被加热熔化而不破坏芯片连接界面，进而确保芯片能够多次返修。
附图说明
图1为本发明实施例中返修流程示意图；
图2为本发明实施例中裸芯片模块示意图；
图3为本发明实施例一中裸芯片模块固定示意图；
图4为本发明实施例二中裸芯片模块固定示意图；
其中，裸芯片模块-1、钎料-2、主体-3、施力部件-4、芯片压头-5、托盘-6、钼铜载体-11、裸芯片-12、纳米银焊膏-13、立杆-61、横杆-62。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行详细的描述。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例一：
一种微组装裸芯片连接及返修方法，包括如下步骤：
A、装配连接：用酒精或者丙酮、乙二醇清洗钼铜载体11，随后将钼铜载体11风干，自然风干或者利用压缩空气吹干均可；
在钼铜载体11及裸芯片12的表面镀金或者银；
如图2所示，在钼铜载体11上需安装裸芯片12的位置涂覆纳米银焊膏13，将裸芯片12置于纳米银焊膏13上，钼铜载体11与裸芯片12、纳米银焊膏13组成裸芯片模块1，钼铜载体11、裸芯片12、纳米银焊膏13均为现有产品，市购即可；
B、施压固定：对钼铜载体11与裸芯片12之间施加大小为100Pa的压力进行固定，如图3所示，通过施力部件4、芯片压头5、托盘6对钼铜载体11与裸芯片12之间施加压力；
如图3所示，将裸芯片模块1的钼铜载体11底面置于托盘6上，然后将芯片压头5压在裸芯片12的上边缘，芯片压头5的下端与裸芯片12的上边缘形状相同，并用施力部件4对芯片压头5的上表面施力；
如图3所示，所述施力部件4为压块，压块压在芯片压头5上，托盘6采用金属制成；
C、烧结：将被施压固定的裸芯片模块1置于真空回流焊或者真空钎焊设备中，并对烧结环境抽真空至0.1Pa，充入氮气保护，氧气浓度<1000ppm，以升温速率为5℃/min升温，将裸芯片模块1加热到250℃，然后在温度为250℃的条件下保温10min，接着在最高温为280℃环境中进行烧结，烧结时间为3min，最后出炉自然冷却至室温，冷却后撤去施加在钼铜载体11与裸芯片12之间的压力；
D、钎焊：将烧结后的裸芯片模块1通过钎料2钎焊在主体3上，连接面为钼铜载体11的底面，所述钎料2为Sn-Pb焊膏、Sn-In焊膏、Sn-Ag-Cu焊膏中的一种，所述主体3为铝合金或者可伐合金，钎焊之前，在主体3的表面镀金或者银，本实施例中主体3为壳体，壳体材质为铝合金或者可伐合金，主体3为现有产品，市购即可；
E、检查：检查目标裸芯片模块1及主体3是否需要更换；
若均需更换，则直接报废；
若需要更换裸芯片模块1或者主体3，或者，仅需重新钎焊，则进行下述步骤；
F、分解：将裸芯片模块1与主体3之间的钎料2加热至熔化，将裸芯片模块1与主体3分解，此步骤在加热台上进行，加热台具有加热功能，能够将裸芯片模块1与主体3之间的钎料2加热至熔化；
G、返修：若需更换裸芯片模块1，则去除原主体3上多余的钎料2，并将新的裸芯片模块1通过新的钎料2钎焊在原主体3上；
如图1所示，若需更换主体3，将原裸芯片模块1通过新的钎料2钎焊在新的主体3上；
若仅需重新钎焊，则去除原主体3上多余的钎料2，将原裸芯片模块1通过新的钎料2钎焊在原主体3上。
H、力学性能检测：根据国军标GJB 548B-2005中的相关规定，对连接完成及返修后的裸芯片12进行芯片剪切强度及温度循环测试，具体操作按照国军标GJB 548B-2005中的相关规定执行；
芯片剪切强度测试：固定50N推力，裸芯片12的连接界面始终未遭到破坏；
温度循环：温度循环800次后，裸芯片12的连接界面依然未破坏，传统方法封装的芯片在400-500个循环左右界面就会遭到破坏，通过本发明中的微组装裸芯片连接及返修方法得到的裸芯片12的连接界面抗疲劳强度提高了不止一倍。
实施例二：
本实施例与实施例一的区别在于：
B、施压固定：对钼铜载体11与裸芯片12之间施加大小为0.05MPa的压力进行固定，如图4所示，通过施力部件4、芯片压头5、托盘6对钼铜载体11与裸芯片12之间施加压力；
如图4所示，将裸芯片模块1的钼铜载体11底面置于托盘6上，然后将芯片压头5压在裸芯片12的上边缘，并用施力部件4对芯片压头5的上表面施力；
如图4所示，所述托盘6上设置有竖直的立杆61，立杆61的顶部横向设置有横杆62，横杆62位于芯片压头5上方；
如图4所示，所述施力部件4为弹簧，弹簧的下端顶在芯片压头5上，弹簧的上端顶在横杆62下方；
C、烧结：将被施压固定的裸芯片模块1置于真空回流焊或者真空钎焊设备中，并对烧结环境抽真空至25Pa，充入氮气保护，氧气浓度<1000ppm，以升温速率为10℃/min升温，将裸芯片模块1加热到260℃，然后在温度为260℃的条件下保温12min，接着在最高温为290℃环境中进行烧结，烧结时间为4min；
D、钎焊：将烧结后的裸芯片模块1通过钎料2钎焊在主体3上，本实施例中主体3为电路基板，电路基板为现有产品，市购即可，所述电路基板为LTCC板或微带板，钎焊之前，在电路基板的表面镀金或者银；
E、检查：检查目标裸芯片模块1及电路基板是否需要更换；
若均需更换，则直接报废；
若需要更换裸芯片模块1或者电路基板，或者，仅需重新钎焊，则进行下述步骤；
F、分解：将裸芯片模块1与电路基板之间的钎料2加热至熔化，将裸芯片模块1与电路基板分解，此步骤在加热台上进行，加热台具有加热功能，能够将裸芯片模块1与电路基板之间的钎料2加热至熔化；
G、返修：若需更换裸芯片模块1，则去除原电路基板上多余的钎料2，并将新的裸芯片模块1通过新的钎料2钎焊在原电路基板上；
若需更换电路基板，将原裸芯片模块1通过新的钎料2钎焊在新的电路基板上；
若仅需重新钎焊，则去除原电路基板上多余的钎料2，将原裸芯片模块1通过新的钎料2钎焊在原电路基板上。
实施例三：
本实施例与实施例一的区别在于：
B、施压固定：对钼铜载体11与裸芯片12之间施加大小为0.1MPa的压力进行固定；
C、烧结：将被施压固定的裸芯片模块1置于真空回流焊或者真空钎焊设备中，并对烧结环境抽真空至50Pa，充入氮气保护，氧气浓度<1000ppm，以升温速率为15℃/min升温，将裸芯片模块1加热到270℃，然后在温度为270℃的条件下保温15min，接着在最高温为300℃环境中进行烧结，烧结时间为5min。
工作原理：
通过上述的一种微组装裸芯片连接及返修方法，能够很方便的实现裸芯片的微组装，工艺简单、质量可控、性能稳定，裸芯片12与钼铜载体11之间封装界面耐高温、连接强度高，而传统微组装方法制造出的组件仅可以返修一次，返修次数过多导致裸芯片12封装界面的可靠性会急剧下降，因组件或电路板等的损伤而造成昂贵芯片的报废数量较多，但采用本方法制造出的组件，裸芯片12连接界面的熔化温度远大于600℃，而将钎料2加热熔化的温度约为200-240℃，因此裸芯片12连接界面受温度循环和其他工艺(如返修等)的热冲击影响极小，只要裸芯片12未受到损伤，即可通过适当的返修工艺进行更换，可满足军用电子产品中单片电路、混合电路、多芯片电路以及微波集成电路组件等等的高可靠性制造的需要，大大降低了裸芯片12的报废率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种微组装裸芯片连接及返修方法，其特征在于：包括如下步骤：
A、装配连接：在钼铜载体(11)上需安装裸芯片(12)的位置涂覆纳米银焊膏(13)，将裸芯片(12)置于纳米银焊膏(13)上，钼铜载体(11)与裸芯片(12)、纳米银焊膏(13)组成裸芯片模块(1)；
B、施压固定：对钼铜载体(11)与裸芯片(12)之间施加大小为100Pa～0.1MPa的压力进行固定；
C、烧结：将被施压固定的裸芯片模块(1)置于烧结环境中，并对烧结环境抽真空至0.1～50Pa，充入氮气保护，氧气浓度<1000ppm，以升温速率为5～15℃/min升温，将裸芯片模块(1)加热到250～270℃，然后在温度为250～270℃的条件下保温10～15min，接着在最高温为280～300℃环境中进行烧结，烧结时间不少于3min，最后出炉自然冷却至室温，冷却后撤去施加在钼铜载体(11)与裸芯片(12)之间的压力；
D、钎焊：将烧结后的裸芯片模块(1)通过钎料(2)钎焊在主体(3)上，连接面为钼铜载体(11)的底面；
E、检查：检查目标裸芯片模块(1)及主体(3)是否需要更换；
若均需更换，则直接报废；
若需要更换裸芯片模块(1)或者主体(3)，或者，仅需重新钎焊，则进行下述步骤；
F、分解：将裸芯片模块(1)与主体(3)之间的钎料(2)加热至熔化，将裸芯片模块(1)与主体(3)分解；
G、返修：若需更换裸芯片模块(1)，则去除原主体(3)上多余的钎料(2)，并将新的裸芯片模块(1)通过新的钎料(2)钎焊在原主体(3)上；
若需更换主体(3)，将原裸芯片模块(1)通过新的钎料(2)钎焊在新的主体(3)上；
若仅需重新钎焊，则去除原主体(3)上多余的钎料(2)，将原裸芯片模块(1)通过新的钎料(2)钎焊在原主体(3)上。
2.根据权利要求1所述的一种微组装裸芯片连接及返修方法，其特征在于：步骤A中，涂覆纳米银焊膏(13)前，用酒精或者丙酮、乙二醇清洗钼铜载体(11)，随后将钼铜载体(11)风干。
3.根据权利要求1所述的一种微组装裸芯片连接及返修方法，其特征在于：步骤A中，涂覆纳米银焊膏(13)前，在钼铜载体(11)及裸芯片(12)的表面镀金或者银。
4.根据权利要求1所述的一种微组装裸芯片连接及返修方法，其特征在于：步骤B中，通过施力部件(4)、芯片压头(5)、托盘(6)对钼铜载体(11)与裸芯片(12)之间施加压力；
将裸芯片模块(1)的钼铜载体(11)底面置于托盘(6)上，然后将芯片压头(5)压在裸芯片(12)的上边缘，并用施力部件(4)对芯片压头(5)的上表面施力。
5.根据权利要求4所述的一种微组装裸芯片连接及返修方法，其特征在于：所述施力部件(4)为压块，压块压在芯片压头(5)上。
6.根据权利要求4所述的一种微组装裸芯片连接及返修方法，其特征在于：所述托盘(6)上设置有竖直的立杆(61)，立杆(61)的顶部横向设置有横杆(62)，横杆(62)位于芯片压头(5)上方；
所述施力部件(4)为弹簧，弹簧的下端顶在芯片压头(5)上，弹簧的上端顶在横杆(62)下方。
7.根据权利要求1所述的一种微组装裸芯片连接及返修方法，其特征在于：步骤C中，烧结在真空回流焊或者真空钎焊设备中进行。
8.根据权利要求1所述的一种微组装裸芯片连接及返修方法，其特征在于：步骤D中，所述主体(3)为壳体或者电路基板。
9.根据权利要求1所述的一种微组装裸芯片连接及返修方法，其特征在于：所述主体(3)的表面镀金或者银。
10.根据权利要求1所述的一种微组装裸芯片连接及返修方法，其特征在于：所述钎料(2)为Sn-Pb焊膏、Sn-In焊膏、Sn-Ag-Cu焊膏中的一种。
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