一文讀懂芯片的焊接方式

  隨著科技的發(fā)展，半導(dǎo)體器件和組件在工程、商業(yè)上得到了廣泛的應(yīng)用。它在雷達(dá)、遙控遙測、航空航天等的大量應(yīng)用對其可靠性提出了較高的要求，其中芯片的焊接（粘貼）方式也是對其可靠性非常重要的一個環(huán)節(jié)。

  芯片到封裝體的焊接是指半導(dǎo)體芯片與載體（封裝殼體或基片）之間形成牢固的、傳導(dǎo)性或者絕緣性的連接方法。焊接層除了為器件提供機(jī)械連接和電連接之外，還需為器件提供良好的散熱通道。下面將針對芯片的焊接或粘貼方式進(jìn)行一個詳細(xì)的說明。

   非導(dǎo)電連接

  在芯片到封裝體的焊接，有時芯片的背面無需將其電性能引出，因此會用非導(dǎo)電膠黏住芯片起到固定芯片位置的作用。這種非導(dǎo)電膠內(nèi)部主要以高分子樹脂體系為主，添加二氧化硅、氧化鋁、氮化硅等填料來提升材料的導(dǎo)熱性和絕緣性。非導(dǎo)電膠在實(shí)際使用的過程中可以通過點(diǎn)膠、絲網(wǎng)印刷等方式進(jìn)行使用，然后通過加熱完成樹脂體系固化之后將芯片與基材焊接在一起。

   導(dǎo)電連接

  芯片封裝中還有一種是要形成牢固的、傳導(dǎo)性的連接方法，即導(dǎo)電互聯(lián)。導(dǎo)電互聯(lián)的方式也很多種，如導(dǎo)電膠連接、金屬連接等。

  導(dǎo)電膠連接

  導(dǎo)電膠是指在高分子樹脂粘合劑中添加了導(dǎo)電的金屬顆粒來實(shí)現(xiàn)其導(dǎo)通功能。在這中高分材料中，環(huán)氧樹脂是最經(jīng)常使用的。環(huán)氧樹脂是穩(wěn)定的線性聚合物，在加入固化劑后，環(huán)氧基打開形成羥基并交鏈，從而由線性聚合物交鏈成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)而固化成熱固性塑料。其過程由液體或粘稠液→凝膠化→固體。固化的條件主要由固化劑種類的選擇來決定。而其中摻雜的金屬含量決定了其導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能的好壞。

  導(dǎo)電銀漿是當(dāng)前最流行的芯片粘貼方法之一，它所需的固化溫度低，這可以避免熱應(yīng)力，但有銀遷移的缺點(diǎn)。導(dǎo)電膠因其操作過程中載體不須加熱，設(shè)備簡單，易于實(shí)現(xiàn)工藝自動化操作且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠而得到廣泛應(yīng)用，尤其在集成電路和小功率器件中應(yīng)用更為廣泛。但是使用導(dǎo)電膠的器件熱阻和電阻都很高。樹脂在高溫下容易分解，有可能發(fā)生填料的析出，在粘貼面上只留下一層樹脂使該處電阻增大。因此它不適于要求在高溫下工作或需低電阻的器件。另外，導(dǎo)電銀膠的機(jī)械強(qiáng)度遠(yuǎn)不如共晶焊接強(qiáng)度大。

  共晶焊接

  共晶焊又稱低熔點(diǎn)合金焊接。共晶合金的基本特性是：兩種不同的金屬可在遠(yuǎn)低于各自的熔點(diǎn)溫度下按一定重量比例形成合金。在微電子器件中最常用的共晶焊是把硅芯片焊到鍍金的底座或引線框上去，即“金-硅共晶焊”。眾所周知，金的熔點(diǎn)1063℃，而硅的熔點(diǎn)更高，為1414℃。但是如果按照重量比為2.85 ％的硅和97.15％的金組合，就能形成熔點(diǎn)為 363 ℃的共晶合金體。這就是金硅共晶焊的理論基礎(chǔ)。

   金-硅共晶焊的焊接過程是指在—定的溫度(高于363 ℃ )和一定的壓力下，將硅芯片在鍍金的底座上輕輕揉動摩擦，擦去界面不穩(wěn)定的氧化層，使接觸表面之間熔化，由二個固相形成—個液相。冷卻后，當(dāng)溫度低于金硅共熔點(diǎn)(363 ℃ )時，由液相形成的晶粒形式互相結(jié)合成機(jī)械混合物金-硅共镕晶體，從而使硅芯片牢固地焊接在底座上，并形成良好的低阻歐姆接觸。

  共晶焊的金屬種類對連接影響很大，目前主要可做工晶焊的合金為AuGe、AuSn、AuSi、SnIn、SnAg等等，其可使用真空/可控氣氛共晶爐設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。其具有熱導(dǎo)率熬、電阻小、傳熱快、可靠性強(qiáng)，粘結(jié)后剪切力大的優(yōu)點(diǎn)，適用于高頻、大功率器件中芯片與基板的焊接。對于散熱要求非常高的功率器件必須采用共晶焊接。

  焊料連接

  一般來說，焊接工藝中可以用焊料或者焊錫條進(jìn)行焊接。焊料一般是通過預(yù)涂錫膏，然后用回流的方式進(jìn)行焊接；而采用焊錫條則是進(jìn)行芯片放置后，然后同樣采用回流的方式加工。一般焊錫膏其中一般包括兩部分助焊劑和焊料的部分。助焊劑一般多使用由松香、樹脂等活性劑、添加劑和有機(jī)溶劑組成的松香樹脂體系，然后焊料部分多為金屬合金。錫膏按照成分可以含鉛錫膏和無鉛錫膏，而按照熔點(diǎn)分類，則可以分為高溫錫膏、低溫錫高和不銹鋼錫膏。其中無鉛錫膏用于綠色電子產(chǎn)品的組裝；而高溫錫膏則應(yīng)用于功率器件的封裝焊接。

  焊料的加工發(fā)生主要為熱壓焊和回流焊。其中熱壓焊是利用脈沖加熱回流焊接，將兩個預(yù)先上好了助焊劑、鍍了錫的零件加熱到足以使得錫融化的溫度，冷卻固化后，這兩個零件就通過固化的焊錫形成一個電氣機(jī)械連接。而回流焊由于采用不同的熱源，回流焊機(jī)有：熱板回流焊接、熱風(fēng)回流焊接、紅外回流焊接、紅外熱風(fēng)回流焊機(jī)、汽相回流焊機(jī)、激光回流焊機(jī)等，不同的加熱方式，其原理是不一樣的。

  燒結(jié)銀/銅

  燒結(jié)過程的驅(qū)動力主要來自體系的表面自由能和提醒的缺陷能，系統(tǒng)中顆粒尺寸越小，其比表面積越大，從而表面能越高、驅(qū)動力越大。外界對系統(tǒng)所施加的壓力、系統(tǒng)內(nèi)的化學(xué)勢差及量接觸顆粒間的應(yīng)力也是擴(kuò)散的驅(qū)動力。

  以燒結(jié)銀為例，燒結(jié)得到的連接層為多孔性結(jié)構(gòu)，空洞尺寸在微米及亞微米級別，連接層具有良好的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能，熱匹配性能良好。當(dāng)連接層孔隙率為10%情況下，其導(dǎo)電及導(dǎo)熱能力可達(dá)到純銀的90%，遠(yuǎn)高于普通的焊料。

  影響燒結(jié)質(zhì)量的因素是多方面的，其中燒結(jié)壓力、燒結(jié)溫度和燒結(jié)時間是主要影響因素。比有壓燒結(jié)相比，無壓燒結(jié)得到的燒結(jié)層孔隙率大，密度小，其導(dǎo)電性能、導(dǎo)熱性能及可靠性存在差距，更適合于小面積芯片和功率密度較低的封裝；燒結(jié)溫度中的有機(jī)部分一部分在100℃以下即可受熱揮發(fā)掉，另一部分需要在200-280℃下與氧氣反應(yīng)燒蝕掉，有機(jī)成分會發(fā)蝕之后，銀顆粒之間才可以直接產(chǎn)生可靠的燒結(jié)層。增大燒結(jié)壓力、提高燒結(jié)溫度和延長燒結(jié)時間有利于得到可靠的燒結(jié)層，但高溫高壓下芯片和延長時間會降低生產(chǎn)效率。因此，需要根據(jù)燒結(jié)材料特性，優(yōu)化燒結(jié)壓力、燒結(jié)溫度和燒結(jié)時間的匹配，在保證連接層可靠性的前提下減少燒結(jié)壓力，降低燒結(jié)溫度，縮短燒結(jié)時間。

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