王戰(zhàn)新，耿凱鴿，李 斐，李 昆，李衛(wèi)紅

(西安衛(wèi)光科技有限公司，陜西 西安 710065)

0 引言

在功率芯片組裝方面，目前存在的主要問題是:組裝后的芯片，因底部空洞面積較多，熱阻較大，工作時產(chǎn)生的大量熱量無法通過有效途徑傳輸?shù)酵鈿?，從而?dǎo)致工作時結(jié)溫過高，可靠性下降，降低了功率器件的工作壽命，甚至由于結(jié)溫過高而被熱擊穿失效［1］。近幾年來，隨著電子工業(yè)的高速發(fā)展，真空燒結(jié)工藝開始得到廣泛應(yīng)用，空洞率、熱阻、連接強度、可靠性等得到顯著改善，或?qū)⒊蔀楣β市酒M裝的關(guān)鍵技術(shù)之一。

1 燒結(jié)機理

兩種不同的金屬可在遠(yuǎn)低于各自熔點的溫度下，按一定比例形成共熔合金，這個較低的溫度即為它們的低共熔點。燒結(jié)工藝就是在芯片和載體(基片或管殼)之間放入一合金薄片(焊料)，在一定的真空或保護(hù)氣氛中加熱到合金共熔點使其熔融，熔化成液態(tài)的合金浸潤整個芯片襯底的焊接層金屬和載體焊接面，焊料與焊接層金屬和載體焊接面的金屬發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，生成一定量的金屬間化合物，然后在冷卻到共熔點以下的過程中，通過焊料及金屬間化合物將芯片與載體焊接在一起，形成良好的歐姆接觸，從而完成芯片與載體的焊接［2］。

本文分別選用隧道燒結(jié)爐和真空燒結(jié)爐將芯片與DBC板進(jìn)行焊接，并通過X 射線掃描對比分析兩種工藝的空洞率，證明真空燒結(jié)工藝的實際效果更好。

2 隧道爐燒結(jié)工藝試驗

運用隧道爐加熱，在DBC 板與芯片之間加入焊料片，當(dāng)焊料片受熱熔化后，借助于它對DBC 板覆銅部分的相互熔融而形成金屬間化合物，實現(xiàn)新的合金面將芯片與DBC 板牢靠地焊接在一起。試驗結(jié)果如下:

圖1 隧道爐燒結(jié)工藝的試驗結(jié)果

圖1(a)是隧道爐燒結(jié)溫度控制曲線圖;圖1(b)是在圖1(a)條件下，隧道燒結(jié)爐完成的芯片背面X 射線掃描圖，利用計算機得出芯片燒結(jié)后的空洞率為8.7%。

3 真空燒結(jié)爐工藝試驗

試驗所用真空燒結(jié)爐是一種帶有快速退火功能的焊接回流爐，是一個多用途“冷壁”工藝焊爐。腔室頂蓋配有觀察窗，通過它可以對燒結(jié)過程的每一個階段做到實時記錄，方便及時地調(diào)整溫度曲線。

工藝控制過程:將芯片與DBC 板置于密封良好的腔室內(nèi)，開啟真空泵抽取空氣(真空度1 ×10－5mbar);然后充入氮氣稀釋殘留的空氣;再次開啟真空泵抽取氮氣;待真空度達(dá)到極限、腔室內(nèi)基本沒有殘留的氣體時，充入氫氣開始升溫。在高溫下利用氫氣的還原作用，將DBC 板、焊料及芯片還原，去除氧化物，提高焊料的浸潤率。經(jīng)過一段時間的高溫之后，芯片與DBC 板已經(jīng)焊接在一起，不過焊接面仍存在著不少氣泡。第三次開啟真空泵，經(jīng)過一段時間后，就能將焊接面殘留氣泡盡可能地抽出，從而使得芯片焊接的空洞減少，空洞率也隨之降低。

整個工藝過程可通過計算機進(jìn)行編程控制，每個程序段所用的時間、氣體流量及溫度都可以做到精確設(shè)定，且操作方便。此外，由于使用了焊料片，做到了無助焊劑焊接，使得燒結(jié)后的芯片可直接送至下道工序，減少了清洗環(huán)節(jié)，降低生產(chǎn)成本。試驗結(jié)果如下:

圖2 真空燒結(jié)工藝的試驗結(jié)果

圖2(a)是真空燒結(jié)溫度控制曲線圖;圖2(b)是在圖2(a)條件下，真空燒結(jié)完成的芯片背面X 射線掃描圖，利用計算機得出芯片燒結(jié)后的空洞率只有0.52%。

4 結(jié)果分析

將上述兩種不同燒結(jié)工藝的結(jié)果進(jìn)行分析對比，可以得出:

1)燒結(jié)時間:真空燒結(jié)時間僅為隧道燒結(jié)爐時間的1/4，大大提高了生產(chǎn)效率。

2)燒結(jié)空洞率:真空燒結(jié)空洞率(0.52%)僅為隧道燒結(jié)爐空洞率(8.7%)的6%，降低了16 倍，有效焊接面積得到顯著提高。

由上述試驗結(jié)果對比可知:真空燒結(jié)較隧道爐燒結(jié)工藝可獲得更高質(zhì)量的燒結(jié)結(jié)果，生產(chǎn)效率和產(chǎn)品可靠性得到顯著改善;且整個燒結(jié)過程完全由計算機編程做到精確控制，避免人為操作帶來的誤差。

5 結(jié)束語

隨著半導(dǎo)體生產(chǎn)制造工藝的不斷改進(jìn)，真空燒結(jié)工藝及相關(guān)設(shè)備必將日益更新和完善，取得更為廣泛的認(rèn)可和市場應(yīng)用，然而影響功率芯片燒結(jié)質(zhì)量的因素還有很多，有待我們?nèi)ミM(jìn)一步認(rèn)識和探索。

［1］張世偉.真空燒結(jié)在電子組裝中的應(yīng)用技術(shù)［J］.電子工藝技術(shù)，2011(3) ：36－39.

［2］原輝.真空燒結(jié)工藝應(yīng)用研究［J］.電子工藝技術(shù)，2011(1) ：27－31.