多层芯片烧焊空洞控制方法的研究
时间：2020-10-31 04:01:56 来源：达达文档网 本文已影响 人 
唐文斌
摘 要：在半导体分立器件生产过程中，烧焊空洞是一个永无止境研究课题，如果烧焊的空洞较多，空洞面积较大，则是器件热阻就会比较大，特别是大功率器件，其在工作时产生的大量热量将无法通过有效途径传输出去，从而导致工作时结温过高，可靠性下降，降低了功率器件的工作寿命，甚至因为结温过高而被热击穿失效。
关键词：烧焊空洞;烧焊原理;影响因素;真空
一、引言
在半导体分立器件生产过程中，芯片烧焊是一道关键工序，它的目的是在高温的作用下，通过焊料烧焊的方式将管芯牢固的底座上。实际工作中，我们希望烧焊空洞越小越好，理想的烧焊空洞为0，但是现实和理想始终还是有差距的，我们不可能做到0空洞。对于单芯片烧焊，控制好炉温和升降温曲线，烧焊空洞控制在5%甚至于3%以内都比较好实现。但是对于多层芯片烧焊空洞的控制就不容易了，本文就5颗芯片6层烧焊面空洞的控制方法进行简单的阐述。
二、烧焊原理
烧焊是半导体器件后部组装生产线的第一道工序，它的目的是通过焊料熔融实现焊料与管芯背面和底座表面的浸润，然后通过冷却的方式使焊料固化实现管芯背面和底座表面的牢固粘接，并形成良好的欧姆接触。该工艺在实现过程中可以通过烧氢炉、链式炉、真空炉、真空回流焊的方式来实现，由于我们要实现多层芯片烧焊的空洞控制，我在这里主要描述采用真空回流焊炉来焊接管芯的工艺。
三、烧焊工艺过程
采用真空回流焊炉进行管芯的烧焊是一种较传统工艺要求更高的烧焊工艺，该工艺的原理是：将氮、氢气体按照一定的比例混合在一起，然后通过加热氮氢混合气体，用氮氢混合气体对器件进行加热，然后进去抽真空，将焊料融化过程中形成的气泡抽走，最后冷却降温，达到降低芯片烧焊空洞的目的。
真空回流焊烧焊半导体器件一共需要经过5个温度区域，分别是预热区、恒温区、高温区、真空区、冷却区，全程通氮氢混合气体，其中前4个温区通入热氮氢混合气体，冷却区通冷氮氢混合气体，5个温区的作用分别是：
（1）预热区：对器件进行预热，在此过程中，加热过的氮氢混合气体可以使用器件表成附着的气体、水汽体等蒸发掉，为器件恒温，焊料融化作准备;
（2）恒温区：对从预热区过来的气体进行持续加热，使器件达到所设定的恒定温度，焊料充分融化;
（3）高温区：也叫回流焊区，该区域温度需设置较恒温区略高，以增加零件表面、焊料、芯片之间的浸润性，使焊料融化后，芯片与零件形成良好的欧姆接触;
（4）真空区：融化后的焊料必然形成一定的气泡，如果气泡里面的气体不能有效的挥发，必然形成烧焊空洞，而通过真空区对器件进行抽真空，真空度达20KPa以上，可以很好的抽掉焊料融化过程中形成的气泡，达到有效控制烧焊空洞的目的。
（5）冷却区：通过冷的氮氢混合气体对器件进行降温。
四、影响烧焊空洞的因素和控制方法
烧焊本身是一个让焊料融化和固化的过程，实际的烧焊温度过高或过低，都会严重影响产品的烧焊效果，下面就這几个方面进行阐述。
1.焊料的选择
焊料是实现烧焊过程的关键材料，它的选取与产品设计息息相关。根据半导体器件普遍采用硅材质，产品最高工作温度为175℃的特点，我们一般选用熔点在300℃左右的软焊料。再结合我们的公司特点，铅锡银焊料为我公司一直使用的焊料，固对于6层焊料烧焊器件，依然选择铅锡银焊料。
2.炉温的稳定性
炉温是实现焊料融化、管芯和底座粘接的最关键因素，因此炉温的稳定性是直接关乎产品的烧焊质量，因此对炉温进行定期检测和监控是必不可少的。为了最大限度的保障炉温的稳定性，我们每天开工前会对炉温进行简单的红外线测试，每三个月会进行一次较专业和复杂的耦合法温度检测，以确保炉温可控。
3.烧焊温度曲线的确定
采用真空回流焊炉烧焊主要是通过恒温区给需要烧焊的产品加热，使焊料达到熔点融化而实现管芯与底座之间的金属融合。但是如何设定升降温曲线是器件焊料充分融化形成欧姆接触的关键。
具体的试验方法为：在固定气体流量和设定温度值的前提下，将装配好的固定数量产品推入恒温区内，同时采用点温计实际检测恒温区的温度变化，每100秒观察并记录一次，描绘出恒温区内的温度变化曲线，从而判断出恒温区内再次达到热平衡的时间。
4.工艺条件的确定
工艺条件是保障产品质量的关键因素，为了找到合适的烧焊工艺条件，我们制定了工艺试验方案，并进行试验对比摸底和确认。由于产品的烧焊空洞取决于焊料的熔融状态和气体的排除，焊料的熔融状态取决于烧焊温度、烧焊时间。只要保证烧焊温度稳定和烧焊炉的真空度，调整合理的烧焊和抽真空时间，一定能找到合适的烧焊工艺，保证产品的烧焊质量。而造成产品烧焊不良的因素主要有三个：1、烧焊温度不合理。2、烧焊温度不稳定。3、抽真空时间不够。
根据分析，我们首先根据焊料熔点为280℃的实际和以往的经验将烧焊工艺温度设置为350℃，经过约50组的试验，最终我们确定5颗芯片6层烧焊面空洞面积控制较好（空洞面积可以控制在8%以内）的烧焊工艺为：预热400a+烧焊400s+高温200s+抽真空200 s+冷却300s。
五、结论
烧焊是半导体器件生产过程中的一道关键工序，烧焊质量的好坏直接影响产品的使用可靠性，是我们必须提高认识和加强控制的一道工序。通过上述试验，我们认为：影响多层芯片烧焊空洞的主要因素有炉温的稳定性、实际的烧焊温度、烧焊时间等，而烧焊空洞的存在是必然的，及时有效的将烧焊形成的空洞排出掉，才能有效的控制好多层烧焊空洞，取得比较好的结果。
参考文献：
[1]《真空烧焊工艺应用研究》;作者：原辉;中国电子科技集团公司第43研究所.
