多層芯片燒焊空洞控制方法的研究

唐文斌

摘 要：在半導體分立器件生產過程中，燒焊空洞是一個永無止境研究課題，如果燒焊的空洞較多，空洞面積較大，則是器件熱阻就會比較大，特別是大功率器件，其在工作時產生的大量熱量將無法通過有效途徑傳輸出去，從而導致工作時結溫過高，可靠性下降，降低了功率器件的工作壽命，甚至因為結溫過高而被熱擊穿失效。

關鍵詞：燒焊空洞;燒焊原理;影響因素;真空

一、引言

在半導體分立器件生產過程中，芯片燒焊是一道關鍵工序，它的目的是在高溫的作用下，通過焊料燒焊的方式將管芯牢固的底座上。實際工作中，我們希望燒焊空洞越小越好，理想的燒焊空洞為0，但是現(xiàn)實和理想始終還是有差距的，我們不可能做到0空洞。對于單芯片燒焊，控制好爐溫和升降溫曲線，燒焊空洞控制在5%甚至于3%以內都比較好實現(xiàn)。但是對于多層芯片燒焊空洞的控制就不容易了，本文就5顆芯片6層燒焊面空洞的控制方法進行簡單的闡述。

二、燒焊原理

燒焊是半導體器件后部組裝生產線的第一道工序，它的目的是通過焊料熔融實現(xiàn)焊料與管芯背面和底座表面的浸潤，然后通過冷卻的方式使焊料固化實現(xiàn)管芯背面和底座表面的牢固粘接，并形成良好的歐姆接觸。該工藝在實現(xiàn)過程中可以通過燒氫爐、鏈式爐、真空爐、真空回流焊的方式來實現(xiàn)，由于我們要實現(xiàn)多層芯片燒焊的空洞控制，我在這里主要描述采用真空回流焊爐來焊接管芯的工藝。

三、燒焊工藝過程

采用真空回流焊爐進行管芯的燒焊是一種較傳統(tǒng)工藝要求更高的燒焊工藝，該工藝的原理是：將氮、氫氣體按照一定的比例混合在一起，然后通過加熱氮氫混合氣體，用氮氫混合氣體對器件進行加熱，然后進去抽真空，將焊料融化過程中形成的氣泡抽走，最后冷卻降溫，達到降低芯片燒焊空洞的目的。

真空回流焊燒焊半導體器件一共需要經過5個溫度區(qū)域，分別是預熱區(qū)、恒溫區(qū)、高溫區(qū)、真空區(qū)、冷卻區(qū)，全程通氮氫混合氣體，其中前4個溫區(qū)通入熱氮氫混合氣體，冷卻區(qū)通冷氮氫混合氣體，5個溫區(qū)的作用分別是：

（1）預熱區(qū)：對器件進行預熱，在此過程中，加熱過的氮氫混合氣體可以使用器件表成附著的氣體、水汽體等蒸發(fā)掉，為器件恒溫，焊料融化作準備;

（2）恒溫區(qū)：對從預熱區(qū)過來的氣體進行持續(xù)加熱，使器件達到所設定的恒定溫度，焊料充分融化;

（3）高溫區(qū)：也叫回流焊區(qū)，該區(qū)域溫度需設置較恒溫區(qū)略高，以增加零件表面、焊料、芯片之間的浸潤性，使焊料融化后，芯片與零件形成良好的歐姆接觸;

（4）真空區(qū)：融化后的焊料必然形成一定的氣泡，如果氣泡里面的氣體不能有效的揮發(fā)，必然形成燒焊空洞，而通過真空區(qū)對器件進行抽真空，真空度達20KPa以上，可以很好的抽掉焊料融化過程中形成的氣泡，達到有效控制燒焊空洞的目的。

（5）冷卻區(qū)：通過冷的氮氫混合氣體對器件進行降溫。

四、影響燒焊空洞的因素和控制方法

燒焊本身是一個讓焊料融化和固化的過程，實際的燒焊溫度過高或過低，都會嚴重影響產品的燒焊效果，下面就這幾個方面進行闡述。

1.焊料的選擇

焊料是實現(xiàn)燒焊過程的關鍵材料，它的選取與產品設計息息相關。根據(jù)半導體器件普遍采用硅材質，產品最高工作溫度為175℃的特點，我們一般選用熔點在300℃左右的軟焊料。再結合我們的公司特點，鉛錫銀焊料為我公司一直使用的焊料，固對于6層焊料燒焊器件，依然選擇鉛錫銀焊料。

2.爐溫的穩(wěn)定性

爐溫是實現(xiàn)焊料融化、管芯和底座粘接的最關鍵因素，因此爐溫的穩(wěn)定性是直接關乎產品的燒焊質量，因此對爐溫進行定期檢測和監(jiān)控是必不可少的。為了最大限度的保障爐溫的穩(wěn)定性，我們每天開工前會對爐溫進行簡單的紅外線測試，每三個月會進行一次較專業(yè)和復雜的耦合法溫度檢測，以確保爐溫可控。

3.燒焊溫度曲線的確定

采用真空回流焊爐燒焊主要是通過恒溫區(qū)給需要燒焊的產品加熱，使焊料達到熔點融化而實現(xiàn)管芯與底座之間的金屬融合。但是如何設定升降溫曲線是器件焊料充分融化形成歐姆接觸的關鍵。

具體的試驗方法為：在固定氣體流量和設定溫度值的前提下，將裝配好的固定數(shù)量產品推入恒溫區(qū)內，同時采用點溫計實際檢測恒溫區(qū)的溫度變化，每100秒觀察并記錄一次，描繪出恒溫區(qū)內的溫度變化曲線，從而判斷出恒溫區(qū)內再次達到熱平衡的時間。

4.工藝條件的確定

工藝條件是保障產品質量的關鍵因素，為了找到合適的燒焊工藝條件，我們制定了工藝試驗方案，并進行試驗對比摸底和確認。由于產品的燒焊空洞取決于焊料的熔融狀態(tài)和氣體的排除，焊料的熔融狀態(tài)取決于燒焊溫度、燒焊時間。只要保證燒焊溫度穩(wěn)定和燒焊爐的真空度，調整合理的燒焊和抽真空時間，一定能找到合適的燒焊工藝，保證產品的燒焊質量。而造成產品燒焊不良的因素主要有三個：1、燒焊溫度不合理。2、燒焊溫度不穩(wěn)定。3、抽真空時間不夠。

根據(jù)分析，我們首先根據(jù)焊料熔點為280℃的實際和以往的經驗將燒焊工藝溫度設置為350℃，經過約50組的試驗，最終我們確定5顆芯片6層燒焊面空洞面積控制較好（空洞面積可以控制在8%以內）的燒焊工藝為：預熱400a+燒焊400s+高溫200s+抽真空200 s+冷卻300s。

五、結論

燒焊是半導體器件生產過程中的一道關鍵工序，燒焊質量的好壞直接影響產品的使用可靠性，是我們必須提高認識和加強控制的一道工序。通過上述試驗，我們認為：影響多層芯片燒焊空洞的主要因素有爐溫的穩(wěn)定性、實際的燒焊溫度、燒焊時間等，而燒焊空洞的存在是必然的，及時有效的將燒焊形成的空洞排出掉，才能有效的控制好多層燒焊空洞，取得比較好的結果。

參考文獻：

[1]《真空燒焊工藝應用研究》;作者：原輝;中國電子科技集團公司第43研究所.