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(cè)、航空航天等的大量應(yīng)用對(duì)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(duì)其可靠性非常重要的一個(gè)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(duì)芯片的焊接或粘貼方式進(jìn)行一個(gè)詳細(xì)的說(shuō)明。

   非導(dǎo)電連接

  在芯片到封裝體的焊接，有時(shí)芯片的背面無(wú)需將其電性能引出，因此會(huì)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(shù)脂體系為主，添加二氧化硅、氧化鋁、氮化硅等填料來(lái)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(guò)程中可以通過(guò)點(diǎn)膠、絲網(wǎng)印刷等方式進(jìn)行使用，然后通過(guò)加熱完成樹(shù)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(shù)脂粘合劑中添加了導(dǎo)電的金屬顆粒來(lái)實(shí)現(xiàn)其導(dǎo)通功能。在這中高分材料中，環(huán)氧樹(shù)脂是最經(jīng)常使用的。環(huán)氧樹(shù)脂是穩(wěn)定的線(xiàn)性聚合物，在加入固化劑后，環(huán)氧基打開(kāi)形成羥基并交鏈，從而由線(xiàn)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(guò)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(lèi)的選擇來(lái)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(guò)程中載體不須加熱，設(shè)備簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)工藝自動(dòng)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(shù)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(shù)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(chēng)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(xiàn)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(guò)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(dòng)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(gè)固相形成—個(gè)液相。冷卻后，當(dāng)溫度低于金硅共熔點(diǎn)(363 ℃ )時(shí)，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(lèi)對(duì)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(lái)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(duì)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(lái)說(shuō)，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(guò)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(shù)脂等活性劑、添加劑和有機(jī)溶劑組成的松香樹(shù)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(wú)鉛錫膏，而按照熔點(diǎn)分類(lèi)，則可以分為高溫錫膏、低溫錫高和不銹鋼錫膏。其中無(wú)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(gè)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(gè)零件就通過(guò)固化的焊錫形成一個(gè)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(guò)程的驅(qū)動(dòng)力主要來(lái)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(dòng)力越大。外界對(duì)系統(tǒng)所施加的壓力、系統(tǒng)內(nèi)的化學(xué)勢(shì)差及量接觸顆粒間的應(yīng)力也是擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)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(jí)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(shí)間是主要影響因素。比有壓燒結(jié)相比，無(wú)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(huì)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(zhǎng)燒結(jié)時(shí)間有利于得到可靠的燒結(jié)層，但高溫高壓下芯片和延長(zhǎng)時(shí)間會(huì)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(shí)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(shí)間。

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