CN1666839A - 气体保护下的芯片与载体的自对位软钎焊方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及气体保护下的芯片与载体的自对位软钎焊方法。为了减少超声振动摩擦或平移揉动使钎焊均匀的精密设备以及减少使用耐高温并且与芯片尺寸大小相对应的夹持芯片的真空吸嘴的投入费用，提高芯片装焊的生产效率，发明了利用气体保护、表面能最小原理、载体尺寸精度控制，以及芯片自重实现芯片与载体的自对位焊接的一种软钎焊方法。特点是：该方法是将载体、芯片、焊片和操作工具均放在充满保护气体的、具有加热台和工作台的手套操作箱中进行，该方法装焊效率高、芯片损坏率低、方法简单新颖。

Description

气体保护下的芯片与载体的自对位软钎焊方法

技术领域

本发明涉及一种芯片与载体的对位焊接方法。

背景技术

随着功率密度的提高、功率模块使用频率的提高以及星载平台的轻、小、真空、低温、高可靠性的要求，对功率多芯片的组装提出了如下的原则：欧姆接触、低热阻的通路、有足够的焊接强度和高低温冲击的温度应力下的组装可靠性。除了芯片载体与芯片的膨胀系数相匹配、焊接材料对可靠性影响很重要外，芯片与载体之间的焊接工艺的优劣是能否满足上述三原则至关重要的因素

芯片与载体之间的焊接效果不好，产生了空洞，不仅模块的热阻会增大，一方面导致发生击穿和烧毁等失效，另一方面导致芯片上热量分布不均匀，在功率老化或使用中引起芯片开裂；焊接强度也会下降，再加上芯片面积较大，焊料分布不均匀，在离心、振动和冲击试验中也会造成芯片脱落或开裂，模块可靠性必然降低。

芯片与载体之间相对位置偏移对多芯片组件的电路性能(如产生自激等)也有影响。

芯片钎焊方法主要有软钎焊法和共晶钎焊法(薄膜-焊接法)两种，钎焊方法的选择需要根据芯片的材料、表面金属化的膜层结构以及可靠性等综合考虑而确定。

(1)软钎焊法，此法是用钎料进行钎焊。为了防止氧化，一般采用包金钎料球或钎料(焊片)。钎料放置在金属化(或合金化)的芯片和电镀过的管座(或衬底)之间进行钎焊。为了提高芯片钎焊质量和速度，不仅需要合适的温度、压力和时间，还要施加一定的揉动。常用的揉动方法有两种：一种是芯片对管座做相应的平移；另一种是由超声振动产生摩擦。为了避免损伤芯片，使用耐高温并且与芯片尺寸大小相对应的真空吸嘴(称为气镊子，或真空镊子，中间是圆孔，上端接真空泵，与芯片之间形成负压)来夹持芯片。钎焊控制参数：加热温度、钎焊压力、钎焊时间、超声功率、钎料组分、钎料量。

(2)共晶钎焊法(薄膜-焊接法)，本方法的钎焊原理是将钎料的各元素相继分层淀积在芯片的表面上，形成多层金属膜。钎焊时多层金属膜相互扩散，达到共晶成分后在共晶温度下熔化，使芯片与管壳(或衬底)牢固地连接在一起。钎焊控制参数：加热温度、压力、钎焊时间、多层金属膜各层的厚度。

两者基本工艺要求：管座(或衬底)、芯片、焊料片(或钎料片)等应该清洁处理；尽量不用有机或无机助焊剂，以免杂质污染；低温下除去焊料氧化膜，钎焊时用低速大流量保护性气体(纯度为99。9％以上的氮气、氩气或氢-氮混合气体)防止焊料再氧化；钎焊温度比熔化温度约高20-50℃，使钎焊接头牢固；钎料最好在加压的条件下凝固，防止钎料曼延到芯片侧面；施加适当的超声振动摩擦或平移揉动使钎焊均匀；严格控制钎焊温度和时间，避免在较高温度下加热时间过长，导致影响芯片电性能参数。

上述方法中超声振动摩擦或平移揉动精密设备价格昂贵，约需人民币24万元左右，

发明内容

本发明旨在提供一种利用表面能最小原理、芯片自重而实现自对位，装焊时间短，且操作容易控制的气体保护下的芯片与载体的自对位软钎焊方法。

实现上述发明目的的具体技术方案如下：

1、气体保护下的芯片与载体的自对位软钎焊方法，对载体的焊接面进行镀金或银改性处理，将焊片放置在芯片和电镀过的载体之间进行钎焊，其特征在于：

A、根据芯片尺寸大小，制作载体，载体的尺寸较芯片每边大0-0.05毫米；所述载体为管座，或衬底；

B、在充满保护性气体的手套操作箱或密闭操作柜中设有一个以上平板式温控加热台，温控精度±5℃，和一个平板式工作台，上限温度可达450℃，将载体、芯片、焊片和操作工具分别置于手套操作箱或密闭操作柜中；

C、在充满保护性气体的手套操作箱或密闭操作柜中、在改性处理后的载体上预置洁净焊片，在气体保护下、在高于焊片熔点温度20-50℃下加热5-15秒、待焊片熔化均匀铺展后取下，置于工作台上冷却至室温；

D、在工作台上、常温状态下将芯片放置在焊片均匀铺展了的管座或衬底上，即载体表面的相应待焊位置上，然后放置到温控加热台上、220-420℃温度下加热3-15秒钟，实现自对位焊接，随后取下，置于工作台上冷却凝固。

2、根据上述1所述的气体保护下的芯片与载体的自对位软钎焊方法。其特征在于：所述焊片为金-硅焊片，焊片厚度为0.05-0.15毫米，焊接温度为390-420℃，加热时间为3-15秒。

3、根据上述1所述的气体保护下的芯片与载体的自对位软钎焊方法。其特征在于：所述焊片为金-锗焊片，焊片厚度为0.05-0.15毫米，焊接温度为365-400℃，加热时间为3-15秒。

4、根据上述1所述的气体保护下的芯片与载体的自对位软钎焊方法。其特征在于：所述焊片为金-锡焊片，焊片厚度为0.05-0.15毫米，焊接温度为240-320℃，加热时间为3-10秒。

5、根据上述1所述的气体保护下的芯片与载体的自对位软钎焊方法。其特征在于：所述焊片为锡-铅焊片，焊片厚度为0.05-0.15毫米，焊接温度为220-250℃，加热时间为3-10秒。

6、根据上述1所述的气体保护下的芯片与载体的自对位软钎焊方法。其特征在于：所述保护性气体为纯度为99。9％以上的氮气、氩气或为氢-氮混合气体。

本方法是使用充满保护性气体(纯度为99。9％以上的氮气、氩气或氢-氮混合气体)的手套操作箱或柜，里面放置一个温控加热台，通过加热和冷却，利用表面能最小原理、芯片衬底尺寸或管座焊接区域尺寸精度控制以及芯片自重实现芯片与管座或衬底的自对位焊接。

本发明方法与现有技术相比较的有效益效果体现在下述几个方面：

1、本发明方法使用充满保护性气体(干氮气、氩气或氢-氮混合气体)的(内置一个以上平板式温控加热台，温控精度±5℃，和一个平板式工作台，上限温度可达450℃，其中一个平板式温控加热台根据需要设置相应温度作为工作台)手套操作箱或柜每个制作费用大约为5000-10000元人民币，其结构简单，制造成本低；无需使用现有技术中的超声振动摩擦或平移揉动使钎焊均匀的精密设备，每台这样的设备目前价格大约24万元左右，以及使用耐高温并且与芯片尺寸大小相对应的夹持芯片的真空吸嘴(称为气镊子，或真空镊子)，每个吸嘴大约1600元且是在焊接温度下使用，容易损坏，需经常更换。

2、另一方面，本发明方法使用充满保护性气体(纯度为99。9％以上的氮气、氩气或氢-氮混合气体)的手套操作箱或柜，由于使用时相对密闭，不需要低速大流量的保护气体，大大减少保护气体的消耗，降低装焊芯片操作成本。

3、本发明方法在常温状态下使用简易拾放工具，工具不易耗损；降低了生产成本。

4、本发明方法，在焊接过程中利用表面能最小原理、芯片自重而实现自对位焊接，装焊时间短且容易控制，不会产生因操作时间大于20秒而损坏价格昂贵的相应芯片。

5、新方法冷却时不需要额外加压，减少芯片损坏的可能性。

6、新方法不象共晶钎焊法(薄膜-焊接法)需要严格控制多层金属膜各层的厚度。

7、采用本发明焊接的芯片，经超声设备对焊接界面钎透率的检测，焊接质量可靠。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步地说明。

实施例1：

本方法的具体操作过程通过下述步骤予以实现：

(1)根据芯片尺寸大小，制作载体，即衬底或管座，衬底尺寸或管座焊接区域尺寸较芯片每边不大于0.05毫米；

(2)对载体，即衬底或管座焊接面进行镀金或银使其可以实现软钎焊；

(3)在充满保护性气体的手套操作箱或密闭操作柜中设有一个平板式温控加热台，温控精度±5℃和一个平板式工作台，上限温度可达450℃，其中一个平板式温控加热台根据需要设置相应温度作为工作台；将载体、芯片、焊片和操作工具分别置于手套操作箱或密闭操作柜中；

(4)在充满保护性气体的手套操作箱或密闭操作柜中、在镀金或银表面处理后的管座或衬底上预置尺寸相当的洁净焊片，在气体保护下、高于焊片熔点温度20-50℃下加热5-15秒；待均匀铺展后取下，置于工作台上冷却至室温；

(5)利用简易拾放工具在工作台上、常温状态下将一个芯片(或多个芯片)放置在焊片均匀铺展了的管座或衬底的相应位置上，焊片为金-硅焊片，焊片厚度为0.1毫米左右，然后再移至加热台上，焊接温度为390-420℃，加热时间为3-15秒。由于表面能最小是自发过程以及芯片自身重量成功实现了自对位焊接，随后从温控加热台上取下，不需额外加压直接置于工作台上冷却凝固。

实施例2：

所用焊片为金-锗焊片时，焊片厚度为0.05毫米左右，焊接温度为365-400℃，加热时间为3-15秒。

其它工艺过程同实施例1。

实施例3：

所用焊片为金-锡焊片，焊片厚度为0.12毫米左右，焊接温度为240-320℃，加热时间为3-10秒。

其它工艺过程同实施例1。

实施例4：

所用焊片为锡-铅焊片，焊片厚度为0.15毫米左右，焊接温度为220-250℃，加热时间为3-10秒。

其它工艺过程同实施例1。

Claims (6)

1、气体保护下的芯片与载体的自对位软钎焊方法，对载体的焊接面进行镀金或银改性处理，将焊片放置在芯片和电镀过的载体之间进行钎焊，其特征在于：

A、根据芯片尺寸大小，制作载体，载体的尺寸较芯片每边大0-0.05毫米；

B、在充满保护性气体的手套操作箱或密闭操作柜中设有一个以上平板式温控加热台，温控精度±5℃，和一个平板式工作台，上限温度可达450℃，将载体、芯片、焊片和操作工具分别置于手套操作箱或密闭操作柜中；

C、在充满保护性气体的手套操作箱或密闭操作柜中、在改性处理后的载体上预置洁净焊片，在气体保护下、在高于焊片熔点温度20-50℃下加热5-15秒、待焊片熔化均匀铺展后取下，置于工作台上冷却至室温；

D、在工作台上、常温状态下将芯片放置在焊片均匀铺展了的管座或衬底上，即载体表面的相应待焊位置上，然后放置到温控加热台上、220-420℃温度下加热3-15秒钟，实现自对位焊接，随后取下，置于工作台上冷却凝固。

2、根据权利要求1所述的气体保护下的芯片与载体的自对位软钎焊方法。其特征在于：所述焊片为金-硅焊片，焊片厚度为0.05-0.15毫米，焊接温度为390-420℃，加热时间为3-15秒。

3、根据权利要求1所述的气体保护下的芯片与载体的自对位软钎焊方法。其特征在于：所述焊片为金-锗焊片，焊片厚度为0.05-0.15毫米，焊接温度为365-400℃，加热时间为3-15秒。

4、根据权利要求1所述的气体保护下的芯片与载体的自对位软钎焊方法。其特征在于：所述焊片为金-锡焊片，焊片厚度为0.05-0.15毫米，焊接温度为240-320℃，加热时间为3-10秒。

5、根据权利要求1所述的气体保护下的芯片与载体的自对位软钎焊方法。其特征在于：所述焊片为锡-铅焊片，焊片厚度为0.05-0.15毫米，焊接温度为220-250℃，加热时间为3-10秒。

6、根据权利要求1所述的气体保护下的芯片与载体的自对位软钎焊方法。其特征在于：所述保护性气体为纯度为99.9％以上的氮气、氩气或为氢-氮混合气体。