CN112687555A - 一种用于镀镍管基的芯片低真空合金焊接方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于镀镍管基的芯片低真空合金焊接方法，根据需要焊接的芯片尺寸，通过调节真空合金焊峰值恒温阶段的真空度进入低真空，增强合金焊接系统的热传导率，提升合金焊料与管基镀镍层的润湿性，使合金焊料充分润湿管基镀镍层。具体包括等离子清洗镀镍管基、选取比芯片尺寸略大合金焊片、芯片放置、压块放置、放入真空烧焊炉、抽中真空、加热、输入氮气调节真空度为低真空、低真空合金焊接、吹氮气冷却凝固等工艺步骤。解决了中真空环境中合金焊料片在镀镍管基上的润湿性较差，造成芯片与镀镍管基的芯片装结区焊接界面产生大量空洞的等问题。广泛应用于镀镍基底上的芯片低真空合金焊，也可以推广到其它镀层基底的芯片低真空合金焊中。
Description
技术领域
本发明涉及半导体芯片封装领域，进一步来说，涉及半导体芯片低真空合金焊接领域，具体来说，涉及用于镀镍管基的芯片低真空合金焊接技术领域。
背景技术
金属封装半导体器件广泛使用在高可靠电子装备中，尤其是金属镀镍管基的使用更加普遍，在电子装备的可靠性中，半导体器件的可靠性起着决定性的作用。在半导体芯片裸芯片(简称芯片)组装过程中，芯片粘贴(即芯片焊接)的可靠性对半导体器件的可靠性起到关键性的作用。特别是功率半导体芯片(简称功率芯片或芯片)合金焊工艺，为防止高温氧化，影响焊接质量，通常采用真空合金焊工艺，即是一定的中真空环境下，对合金焊料片进行加热熔化后，使半导体裸芯片与镀镍管基的芯片装结区粘接在一起。然而，在传统的中真空合金焊将芯片焊接在镀镍管基上时，由于在中真空环境中(根据GB3163-82《真空技术术语》标准)，合金焊接系统(芯片、合金焊片、镀镍管基的统一体)的热传导率非常低，致使合金焊料片在镀镍管基上的润湿性较差，常常造成芯片与镀镍管基的芯片装结区焊接界面产生大量空洞，空洞率通常高于芯片焊接面积的30％以上，导致芯片与镀镍管基之间附着力差、界面接触不充分，容易脱落，芯片与镀镍管基之间的热阻很大，不能及时、充分散热，导致芯片的工作过程中产生的热量积累，使芯片的可靠性、使用寿命快速下降，芯片性能快速退化，直至烧毁芯片，如图1所示。因此，芯片与镀镍管基真空合金焊空洞率问题一直是镀镍管基芯片装结存在的问题。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的主要目的在于解决现有技术中合金焊料片在镀镍管基上的润湿性较差，造成芯片与镀镍管基的芯片装结区焊接界面产生大量空洞，导致芯片与镀镍管基之间附着力差、界面接触不充分，容易剥离，芯片与镀镍管基之间的热阻很大，不能及时、充分散热，导致芯片的工作过程中产生的热量积累，使芯片的可靠性、使用寿命快速下降、芯片性能快速退化，直至烧毁芯片等问题。
为了实现本发明的上述目的，本发明提供一种用于镀镍管基的芯片低真空合金焊接方法，根据需要焊接的芯片尺寸，通过调节真空合金焊峰值恒温阶段的真空度进入低真空，增强合金焊接系统(芯片、合金焊片、镀镍管基的统一体)的热传导率，提升合金焊料与管基镀镍层的润湿性，使合金焊料充分润湿管基镀镍层。具体步骤如下：
1、等离子清洗镀镍管基
将镀镍管基采用等离子清洗机进行清洗，去除表层上的氧化层和吸附物质。
2、选取比芯片尺寸略大合金焊片
将所选取的合金焊片置于镀镍管基的芯片焊接区域。选取的焊片大于芯片，目的是焊片加热熔化的过程中更容易包裹住芯片底面。
3、芯片放置
将芯片放于合金焊片正上方。
4、压块放置
将设定重量的压块放置于芯片的正上方；压块的加入是为了在焊料熔化的过程中在重力的引导下释放焊接界面气体，便于润湿底部镀镍管基。
5、放入真空烧焊炉
将放置完合金焊片、芯片及压块的镀镍管基安装于专用夹具上，接着与夹具一起放置于真空烧焊炉的烧焊区域。
6、抽中真空
开启真空烧焊炉抽真空装置进行抽真空，设置真空度低于100Pa，抽中真空。
7、加热
当真空烧焊炉真空达到设定值后，开启真空烧焊炉加热装置进行加热，设置温度至合金焊片的焊接温度，按设定的升温曲线进行升温，温度升到设定的焊接温度后进入恒温状态；
真空状态下升温至合金焊片的合金焊接温度，是为了熔化合金焊片，同时提高合金焊料中金属原子和镀镍层镍原子的布朗运动轨迹便于相互润湿。
8、输入氮气调节真空度为低真空
温度进入恒温状态时，往真空烧焊炉输入高纯氮气(氮气纯度99.99％以上)，调节中真空至低真空环境(高于5KPa)。在恒温状态下往炉中输送氮气，一方面是调整真空度到所需的低真空条件，另一方面，低真空条件和少量的氮气保护可以减少合金焊片中合金元素的挥发，保持合金焊片原有的共晶成分，提高合金焊料与镀镍管基之间的润湿性。
所述低真空的真空度正比于芯片面积，其关系为：Va＝k·S，其中Va为真空度，k为调节系数，S为芯片面积；
9、低真空合金焊接
设定合金焊接时间，温度升到设定温度后进行恒温，进行低真空合金焊接。
10、吹氮气冷却凝固
合金焊结束后，停止加热，采用一定稳定气压的高纯氮气进行吹氮气冷却凝固，保证焊接面的溢料均匀，完成低真空下芯片与镀镍管基的合金焊接。一定稳定气压的高纯氮气吹冷，是为了熔化的合金焊料在冷却凝固的过程中产生较大的过冷度，较大的过冷可以使得焊接层金属在凝固后的晶粒长大过程中变得更为细小，更有效的润湿镀镍管基，形成更加致密的焊接层。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明所述的工艺方法，进行芯片与镀镍管基的合金焊接，通过氮气调节真空度，可以大大提高合金焊料与镀镍管基之间的润湿性，将焊接空洞率从30％以上显著降低至5％以下。同时，所述工艺方法适用于大批量生产，质量易控，重复性、一致性好，可大幅提高合金焊接的可靠性，降低制造成本。
本发明所述的工艺方法，可广泛应用于镀镍基底上的芯片低真空合金焊，也可以推广到其它镀层基底的芯片低真空合金焊中。
附图说明
图1为现有技术合金焊接界面的X光照片示意图。
图2为本发明技术低真空合金焊接界面的X光照片示意图。
图3为本发明技术中真空合金焊接界面的X光照片示意图。
具体实施方式
以贵州振华风光半导体有限公司FW117产品的芯片真空合金焊接为例，在真空烧结炉中将芯片用金锡合金焊片焊接在镀镍金属管基上，芯片尺寸大小为3.1mm×2.3mm，金锡合金焊片选用Au80Sn20，从真空度不同，实施结果对比如下：
实施例1：低真空合金焊接
工艺步骤如下：
①将镀镍管基采用等离子清洗机进行清洗干净，去除表层上的氧化层和吸附物质；
②选取比芯片尺寸大0.2mm的Au80Sn20金锡合金焊片(3.3mm×2.5mm)置于镀镍管基的芯片焊接区域，将芯片放于焊片上方，并按芯片面积200mg/mm2左右的重量密度放上相应重量的压块,FW117芯片上放置的压块重量约为1.6g；
③将摆放完整的镀镍管基安装在专用夹具上，再置于真空烧焊炉中，在低于100Pa的中真空状态下温度升至420℃；
④在420℃下恒温3分钟，该过程中往真空烧焊炉中输入氮气，调节真空度至低真空环境(6k～40kPa)进行合金焊，其中，该处的低真空正比于芯片面积(3.1mm×2.3mm)，低真空和芯片面积的关系为：Va＝k·S，其中Va为真空度，k为调节系数，S为芯片面积,此处的真空度Va为10kPa，进行镀镍管基与芯片的低真空焊接。
⑤420℃恒温3分钟后，采用压力值为0.5MPa稳定的氮气压进行吹氮气冷却凝固，保证焊接面的溢料均匀，至此低真空焊接镀镍管基过程结束。
通过X光检测，空洞效果如图2，空洞率在3％左右，低于5％。
实施例2：中真空合金焊接
在实施例1的步骤④中，在420℃下恒温3分钟，不将真空度调节至低真空状态(6k—40kPa)，仍处于步骤③中，中真空(低于100Pa)状态；然后同步骤⑤420℃恒温后，采用稳定的氮气压进行冷却凝固，保证焊接面的溢料均匀，至此低真空焊接镀镍管基过程结束；通过X光检测，空洞效果如图3，空洞率在30％以上，不能满足空洞率低于5％的要求。
以上内容是结合最佳实施方案对本发明说做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只限于这些说明。本领域的技术人员应该理解，在不脱离由所附权利要求书限定的情况下，可以在细节上进行各种修改，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种用于镀镍管基的芯片低真空合金焊接方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)等离子清洗镀镍管基：将镀镍管基采用等离子清洗机进行清洗，去除表层上的氧化层和吸附物质；
(2)选取比芯片尺寸略大合金焊片：将所选取的合金焊片置于镀镍管基的芯片焊接区域；
(3)芯片放置：将芯片放于合金焊片正上方；
(4)压块放置：将设定重量的压块放置于芯片的正上方；
(5)放入真空烧焊炉：将放置完合金焊片、芯片及压块的镀镍管基安装于专用夹具上，接着与夹具一起放置于真空烧焊炉的烧焊区域；
(6)抽中真空：开启真空烧焊炉抽真空装置进行抽真空，设置真空度低于100Pa，抽中真空；
(7)加热：当真空烧焊炉真空达到设定值后，开启真空烧焊炉加热装置进行加热，设置温度至合金焊片的焊接温度，按设定的升温曲线进行升温，温度升到设定的焊接温度后进入恒温状态；
(8)输入氮气调节真空度为低真空:温度进入恒温状态时，往真空烧焊炉输入高纯氮气，调节中真空至真空度高于5kPa的低真空环境；
(9)低真空合金焊接：设定合金焊接时间，温度升到设定温度后进行恒温，进行低真空合金焊接；
(10)吹氮气冷却凝固：合金焊结束后，停止加热，采用一定稳定气压的高纯氮气进行吹氮气冷却凝固，保证焊接面的溢料均匀，完成低真空下芯片与镀镍管基的合金焊接。
2.如权利要求1所述的一种用于镀镍管基的芯片低真空合金焊接方法，其特征在于，所述低真空的真空度正比于芯片面积，其关系为：Va＝k·S，其中Va为真空度，k为调节系数，S为芯片面积。
3.如权利要求1所述的一种用于镀镍管基的芯片低真空合金焊接方法，其特征在于，所述压块的重量按芯片面积200mg/mm2左右的重量密度设置。
4.如权利要求1所述的一种用于镀镍管基的芯片低真空合金焊接方法，其特征在于，所述合金焊片为金锡合金焊片，所述金锡合金焊片为Au80Sn20。
5.如权利要求4所述的一种用于镀镍管基的芯片低真空合金焊接方法，其特征在于，所述金锡合金焊片的尺寸比芯片尺寸大0.2mm。
6.如权利要求4所述的一种用于镀镍管基的芯片低真空合金焊接方法，其特征在于，所述金锡合金焊片的合金焊接温度为420℃，合金焊接时间为3分钟。
7.如权利要求1所述的一种用于镀镍管基的芯片低真空合金焊接方法，其特征在于，所述高纯氮气的纯度99.99％以上。
8.如权利要求1所述的一种用于镀镍管基的芯片低真空合金焊接方法，其特征在于，所述低真空的真空度为6kPa至40kPa，优选10kPa。
9.如权利要求1所述的一种用于镀镍管基的芯片低真空合金焊接方法，其特征在于，所述低真空合金焊接方法的焊接空洞率小于5％。
10.如权利要求1所述的一种用于镀镍管基的芯片低真空合金焊接方法，其特征在于，所述吹氮气冷却凝固采用压力值为0.5MPa的高纯氮气。
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Cited By (1)
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| CN113808964A (zh) * | 2021-09-23 | 2021-12-17 | 华东光电集成器件研究所 | 一种基于多芯片小尺寸的异质共晶方法 |
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- 2020-11-26 CN CN202011350632.2A patent/CN112687555A/zh active Pending
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| CN113808964B (zh) * | 2021-09-23 | 2024-04-26 | 华东光电集成器件研究所 | 一种基于多芯片小尺寸的异质共晶方法 |
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