共晶平臺(tái)開(kāi)發(fā)IC 新產(chǎn)品的探討

胡 敏

（樂(lè)山無(wú)線電股份有限公司，四川樂(lè)山 614000）

1 引言

隨著移動(dòng)消費(fèi)電子市場(chǎng)的快速增長(zhǎng)，手機(jī)、智能手表、手環(huán)等移動(dòng)電子產(chǎn)品需要大量低成本、小型化封裝的IC。主流IC 用的芯片粘接材料是聚合物粘接劑，聚合物粘接劑粘接IC 芯片在小型化方面普遍適用，但在成本、熱傳遞方面還有改善的空間。

芯片的材料主要是Si、GaAs 等，芯片與基板或引線框架的連接主要有2 類，即聚合物粘接和釬料焊接。聚合物粘接劑有導(dǎo)電和非導(dǎo)電的，在聚合物粘接劑中摻加銀粉［1］，稱為銀漿，即導(dǎo)電材料；非導(dǎo)電材料則沒(méi)有摻加銀粉。釬料焊接是通過(guò)高溫熔化釬料把2 種金屬焊接在一起，普通釬料焊接是將釬料放置在芯片和引線框架中加熱熔化，共晶焊接是釬料焊接的另外一種形式，是預(yù)先制備金屬到2 個(gè)被焊接物的接觸表面，如芯片底部和引線框架表面，再在高溫下將2 個(gè)物體接觸面的金屬熔化，冷卻后達(dá)到焊接目的。文獻(xiàn)［2］中連接的陶瓷基片底層預(yù)先電鍍了3 μm 的金，在真空共晶爐里實(shí)現(xiàn)了金錫共晶焊接。

為了進(jìn)一步降低成本、提高熱傳遞能力，本文介紹了用于小型化IC 產(chǎn)品的共晶焊接方法，從工藝、設(shè)備等方面解釋了低成本、低熱阻的原因，以實(shí)例闡述了實(shí)現(xiàn)過(guò)程和可靠性結(jié)果，證明小型IC 芯片的共晶焊接在成本和熱傳遞方面要優(yōu)于聚合物粘接劑粘接。

2 共晶焊接及現(xiàn)狀

芯片共晶焊接是瞬態(tài)液相焊接（TLPB）的一種稱謂，共晶焊接預(yù)先把芯片底部金屬化，芯片底部金屬和引線框架金屬都有自己獨(dú)特的晶格排列，芯片切割后，單顆芯片底部金屬和引線框架上的金屬在特定比例、溫度（共晶溫度）下熔化成液態(tài)，冷卻后芯片和引線框架被共熔合金連接在一起，達(dá)到焊接的目的。共晶焊接省略了每次焊接放置釬料的動(dòng)作，其效率要高于普通釬料焊接。

共晶焊接涉及的設(shè)備形態(tài)較多，有真空共晶爐［2］，有實(shí)現(xiàn)LED 芯片共晶焊接［3］的激光局部加熱爐，有對(duì)Au 基共晶材料（金錫、金鍺）進(jìn)行焊接［4］的隧道爐。這些設(shè)備自動(dòng)化程度不高，焊接時(shí)間為秒級(jí)，文獻(xiàn)［5］研究了GaAs 芯片和Mo70Cu30 合金片的共晶焊接，GaAs 芯片底部鍍金，Mo70Cu30 合金片上鍍了厚度為5 μm 的Ni-Au-Sn，在310 ℃通過(guò)摩擦芯片25 s 左右完成共晶焊接。以上這些形式的共晶焊接在自動(dòng)化、焊接時(shí)間方面制約了器件的大規(guī)模生產(chǎn)，且不能滿足高效率、低成本的市場(chǎng)需求。

3 銀漿和共晶工藝設(shè)備比較

本研究在SC88（SOT363）封裝上進(jìn)行共晶焊接和銀漿焊接的IC 驗(yàn)證，并比較工藝設(shè)備。銀漿平臺(tái)主流設(shè)備配置為芯片焊接機(jī)、烘箱、銅線鍵合機(jī)。3 個(gè)獨(dú)立設(shè)備完成芯片焊接和銅線鍵合工序，物料在設(shè)備之間的轉(zhuǎn)運(yùn)需人工完成。理論上完成1 片框架（大約1000粒產(chǎn)品）的時(shí)間是136 min（4 min+120 min+12 min）。共晶設(shè)備配置及工序流程為芯片焊接機(jī)→芯片焊接機(jī)→銅線鍵合機(jī)→銅線鍵合機(jī)，4 個(gè)步驟1 套聯(lián)機(jī)設(shè)備一氣呵成，物料轉(zhuǎn)運(yùn)由聯(lián)機(jī)設(shè)備自動(dòng)完成，無(wú)需人工操作，理論上完成1 片框架的時(shí)間是10 min，2 種工藝平臺(tái)的效率高下立判。也有少數(shù)公司將共晶設(shè)備改造成銀漿設(shè)備，在芯片焊接機(jī)后加一個(gè)快速加熱平臺(tái)，同時(shí)連接銅線鍵合機(jī)，這樣理論上完成1 片框架的時(shí)間是17 min（4 min+1 min+12 min）。使用快速加熱設(shè)備需要定期清理軌道里固化的銀漿殘?jiān)?，否則銀漿殘?jiān)鼤?huì)堵塞軌道，故這類設(shè)備維護(hù)效率低，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備利用率低，產(chǎn)品成本上升。

IC 芯片在銀漿工藝平臺(tái)上封裝，銀漿芯片焊接機(jī)完成點(diǎn)銀漿、芯片吸取并放置到銀漿上，需人工把芯片焊接機(jī)出料的產(chǎn)品送入烘箱完成銀漿固化，固化后的芯片再人工送入鍵合機(jī)進(jìn)行焊線。完成焊線后的產(chǎn)品側(cè)面研磨如圖1 所示，圖1 中標(biāo)記為26079、26080的黑白摻雜物質(zhì)是固化后的銀漿，用EDX 測(cè)試其元素，主要是銀，26079 處顯示芯片側(cè)面有銀漿爬升的情況。

圖1 銀漿產(chǎn)品側(cè)面研磨圖

圖2 是共晶焊接、銅線鍵合后產(chǎn)品側(cè)面研磨圖，可以看出芯片與框架結(jié)合面比銀漿焊接的產(chǎn)品側(cè)面干凈，芯片側(cè)面沒(méi)有類似銀漿爬升的情況。

圖2 共晶產(chǎn)品側(cè)面研磨圖

銀漿焊接設(shè)備自動(dòng)化程度低，需要在芯片焊接機(jī)、烘箱、銅線鍵合機(jī)之間人工轉(zhuǎn)運(yùn)物料，設(shè)備速度慢，并額外有銀漿耗材的費(fèi)用，導(dǎo)致總的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)成本較高。共晶焊接設(shè)備自動(dòng)化程度高，物料從芯片焊接機(jī)到銅線鍵合機(jī)全自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)，設(shè)備沒(méi)有更換銀漿等動(dòng)作，設(shè)備停頓時(shí)間短，運(yùn)行效率高，總的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)成本低。本文驗(yàn)證的芯片共晶焊接設(shè)備自動(dòng)化程度高，每顆芯片從吸取到完成焊接只需200 ms，其中共晶焊接時(shí)間在10 ms 左右，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品封裝的低成本、高質(zhì)量焊接。

4 共晶工藝實(shí)現(xiàn)小尺寸IC 封裝

半導(dǎo)體芯片共晶焊接常用的金屬有金-銅、金-錫、銅-錫等。金-銅的優(yōu)點(diǎn)是焊接后芯片粘接強(qiáng)度大，可靠性高，缺點(diǎn)是工藝復(fù)雜，芯片底部金屬和引線框架金屬化工藝窗口窄。金-錫和銅-錫的優(yōu)點(diǎn)是芯片底部金屬和引線框架金屬化工藝窗口寬，缺點(diǎn)是焊接后芯片粘接強(qiáng)度要弱于金-銅。粘接強(qiáng)度的差別源于金-銅液相溫度要高于金-錫和銅-錫的液相溫度。

選用銅-錫金屬工藝在SC88 框架上共晶焊接低噪聲放大器IC 芯片，即芯片底部金屬主要是錫，引線框架表面做銅的金屬化。圖3 是銅-錫相圖［6-7］，從圖3可知錫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為99.3%和92.4%時(shí)，銅-錫合金液相溫度分別為227 ℃和415 ℃。

圖3 銅-錫相圖

芯片底部金屬經(jīng)過(guò)驗(yàn)證確定是Ti-Ni-Ag-Sn 合金，主要成分是錫。錫的熔點(diǎn)為231.89 ℃，銅錫合金液態(tài)線溫度范圍為227～1085 ℃，理論上焊接設(shè)備溫度在227～1085 ℃均可行，考慮到焊接時(shí)間、加熱軌道及引線框架結(jié)構(gòu)，焊接設(shè)備溫度經(jīng)試驗(yàn)確定為370 ℃，共晶焊接和銅線鍵合后的低噪聲放大器IC 在SC88 框架上的外觀如圖4 所示。

圖4 共晶焊接和鍵合后的低噪聲放大器IC 在SC88 框架上

參考美國(guó)MIL-STD-883 的Method 2019.9 標(biāo)準(zhǔn)判斷芯片焊接質(zhì)量是否合格，這款I(lǐng)C 的最小推力根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)是100 g，實(shí)測(cè)最小推力是416 g，即滿足要求。

通過(guò)X 射線檢測(cè)芯片焊接后的情況如圖5 所示，未見(jiàn)芯片焊接空洞，滿足要求。

圖5 共晶焊接和鍵合后X 射線檢測(cè)

采用共晶工藝生產(chǎn)的SC88 封裝低噪聲放大器IC經(jīng)高溫蒸煮、溫度循環(huán)、高溫存儲(chǔ)、高加速應(yīng)力測(cè)試等可靠性測(cè)試后沒(méi)有失效，這說(shuō)明共晶平臺(tái)用銅-錫合金生產(chǎn)小尺寸IC 芯片在技術(shù)上可行。

5 共晶焊接的優(yōu)劣勢(shì)

共晶平臺(tái)工藝設(shè)備效率的優(yōu)勢(shì)是產(chǎn)品的封裝測(cè)試成本低于銀漿平臺(tái)。以SC88 和SOT23 等封裝為例，銀漿平臺(tái)產(chǎn)品除去芯片封裝測(cè)試外的成本是共晶平臺(tái)（考慮了芯片底部金屬化的額外費(fèi)用）的1.5～1.6倍。

共晶焊接可以理解為芯片級(jí)的釬料焊接，但大規(guī)模生產(chǎn)效率要高于普通釬料焊接。普通釬料焊接設(shè)備的芯片焊接機(jī)把釬料如Pb95Sn2Ag2.5 放置在芯片與引線框架之間，高溫熔化釬料達(dá)到連接芯片與引線框架的目的；共晶焊接把釬料（如金、錫）預(yù)先做到芯片底部和引線框架上，芯片焊接機(jī)省略了放置釬料的動(dòng)作，故設(shè)備能以毫秒級(jí)的時(shí)間完成每個(gè)芯片與引線框架的焊接。另外普通釬料焊接對(duì)芯片尺寸是有要求的，太小的芯片無(wú)法使用釬料焊接，因?yàn)樘〉男酒胖迷谖赐耆诨拟F料上會(huì)有傾斜、旋轉(zhuǎn)等問(wèn)題。共晶設(shè)備可以焊接小至0.20 mm×0.20 mm 的芯片。

共晶焊接與銀漿焊接相比在導(dǎo)熱性方面優(yōu)勢(shì)明顯，以84-1LMIT1 為例，普通導(dǎo)電銀漿的導(dǎo)熱系數(shù)是3.6 W/ (m·K)，而Au80Sn20 共晶的導(dǎo)熱系數(shù)是57 W/(m·K)。

共晶焊接的缺點(diǎn)是需要在芯片和框架上制備共晶金屬材料［8］，技術(shù)門檻高。業(yè)界在金-銅規(guī)模化共晶焊接上做得好的廠家不多。另外共晶焊接需要匹配芯片、引線框架的熱膨脹系數(shù)，防止熱應(yīng)力導(dǎo)致的芯片裂紋。

6 結(jié)論

在IC 芯片底部進(jìn)行金屬化并在共晶平臺(tái)上生產(chǎn)是提高效率、降低成本的方法之一，通過(guò)SC88 封裝在共晶平臺(tái)完成低噪聲放大器IC 的新品開(kāi)發(fā)，確認(rèn)背面金屬為TiNiAgSn 的IC 可以滿足大規(guī)模生產(chǎn)及可靠性質(zhì)量要求，為分立器件生產(chǎn)設(shè)備平臺(tái)切換成IC 生產(chǎn)平臺(tái)提供了一種參考方案。