共晶烧结技术的实验研究

发布时间:2008/6/5 0:00:00 访问次数:632

(中国电子科技集团公司第13研究所,石家庄 050051)

摘要：随着微波混合集成电路向着高性能、高可靠、小型化、高均一性及低成本方向的发展，对芯片焊接工艺提出了越来越高的要求。本文对几种共晶烧结方法进行了实验比较，讨论了各种方法的适用范围，影响质量的因素并对实验结果进行了简单的讨论。

关键词：共晶；烧结；工艺；微波混合集成电路

中图分类号：tn305文献标识码：a文章编号：1003-353x(2005)09-0053-04

1 引言

将半导体芯片及周围电路装配到希望的载体上(如管壳等)，实现的方法主要有导电胶（epoxy）粘接和共晶（eutectic）烧结两种。导电胶粘接具有工艺简单、速度快、成本低、可修复、低温粘接、对管芯背面金属化无特殊要求等优点，但在微波频率高端或微波大功率时，由于导电胶粘接的电阻率大，导热系数大，造成微波损耗大、管芯热阻大、结温高，其功率性能及可靠性等方面将受到影响。

由表1可以看出，共晶烧结的热性能、电性能及机械性能大大优于导电胶粘接。因此在频率较高、功率较大、可靠性要求较高时，应当采用共晶烧结。

2 共晶烧结实验研究

2.1 共晶烧结实验原理

众所周知，两种不同的金属可在远低于各自的熔点温度下，按一定比例形成共熔合金，这个较低的温度即为它们的低共熔点。共晶烧结就是在芯片和载体（管壳或基片）之间放入一共晶合金薄片（焊料），在一定的保护气氛中加热到合金共熔点使其融熔，填充于管芯和载体之间，同时管芯背面和载体表面的金会有少量进入熔融的焊料，冷却后，会形成合金焊料与金层之间原子间的结合，从而完成芯片与管壳或其他电路载体的焊接[1]。

焊料是一层薄薄的合金薄片，可以是金锡（80％au，20％sn，熔点280℃），金锗（88％au，12％ge，熔点356℃），金硅（97％au，3％si，熔点370℃）等。焊料的选择取决于管芯的材料和希望的烧结温度。由于微波电路中较多采用的gaas器件无法承受很高的温度，所以一般选用金锡焊料，而对于硅器件则多采用金硅焊料[2]。图1是金合金的熔点参考图。

2.2 实验研究

2.2.1 焊接质量标称参数的确定

（1）在器件与载体间提供良好的热传递途径；

（2）保证器件背面与载体间的良好电学接触；

（3）器件在今后的使用过程中及可能的各种恶劣环境下始终保证以上两点的实现，即高稳定性和高可靠性；

（4）机械性能良好。

2.2.2 实验参数的确定

从以往的研究可以看出，烧结后焊料的状态，以及焊料与管芯之间、焊料与载体之间的界面状态在很大程度上影响到烧结的质量。由于器件与电路载体之间的热膨胀系数不同，其引起的应力将主要集中在器件与载体间的界面上。而在烧结过程中在焊料中出现的空洞会导致这种应力在局部的集中，与此同时，由于空洞并非热的良导体，它也会引起器件工作时产生的热量在局部的集中。这些都将影响到整个电路系统的长期稳定性与可靠性。因此，为了避免这些不利的影响，在烧结时，应保证器件背面、焊料及电路载体的清洁，去除有机沾污及氧化层等。焊料的用量应适当，不应太多（可能引起空洞的增加）或太少。如果使用预制焊料片，焊料尺寸应为管芯尺寸的80%～90%，厚度为0.5～1密耳。管芯背面的金属化也十分关键，若背面污染，焊料就不能良好扩散并浸润，若背面金属层太粗糙或镀金不均匀，也会造成共晶不良。

在芯片烧结过程中，要求芯片保持水平，以免芯片烧结倾斜对后序压焊工艺产生不良影响，芯片方位满足键合要求，芯片完整，无划伤，无散落的芯片碎片，烧结完成后焊区四周有明显的共熔区[1]。

2.2.3 实验方法

针对不同衬底材料的器件，目前普遍采用的烧结方法有以下几种。

（1）h2烧结：温度380℃，时间3min；si芯片(背面无镀金层)及陶瓷基片；

（2）金硅共晶烧结：温度380℃,时间小于1min；管芯用si芯片(背面有镀金层)；

（3）共晶镊子烧结：温度310℃,时间小于1min；管芯用gaas芯片；

（4）真空烧结炉：温度310℃，时间10min，管芯用gaas芯片及陶瓷基片。

本实验采用集成中功率宽带放大器金硅共晶烧结与h2烧结相结合，基片为陶瓷基片。

基片贴装材料：电绝缘粘接剂和au-sn烧结。

芯片贴装材料：ag环氧粘接剂和au-si