淺談燒氫爐燒結質量控制方法

趙興江

（中國振華集團永光電子有限公司，貴陽550000）

淺談燒氫爐燒結質量控制方法

趙興江

（中國振華集團永光電子有限公司，貴陽550000）

為了嚴格把控燒結工序質量，我們通過對燒結原理的研究，從人、機、料、法、環(huán)等各個方面進行分析，從中找出薄弱環(huán)節(jié)并進行控制。

燒結工藝；影響因素；控制方法；試驗方法

在半導體器件生產過程中，燒結是一道關鍵工序，它的目的是在高溫的作用下，通過金硅共融或焊料燒結的方式將管芯牢固地燒結在底座上。

1　燒結原理

燒結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，實現管芯背面和底座表面的牢固黏結。該工藝在實現過程中可以通過燒氫爐、鏈式爐或真空爐的方式來實現，筆者主要描述采用傳統燒氫爐燒結管芯的工藝。

2　燒結工藝過程

采用燒氫爐進行管芯的燒結是一種傳統的燒結工藝，該工藝的原理是：先通入氮氣將爐管中的空氣排放干凈，然后緩慢通入氫氣并點火，同時緩慢關閉氮氣，直至氮氣全部關閉，氫氣流量達到設定流量值。通過裝載舟（一般采用鉬舟）將裝配好的產品緩慢推入燒氫爐的恒溫區(qū)，待燒結完成后，將產品拖到冷卻區(qū)進行冷卻，待冷卻完成后再將產品取出。

3　燒結質量的影響因素和控制方法

燒結本身是一個讓焊料融化和固化的過程，實際的燒結溫度過高或過低都會嚴重影響產品的燒結效果，同時管芯、焊料以及底座的表面狀態(tài)也是影響焊料浸潤的關鍵因素。因此，焊料的選擇、產品熱容量的大小、爐溫的穩(wěn)定性和工藝條件的設定以及各原材料的表面狀態(tài)對其燒結質量的影響均非常大。

3.1焊料的選擇

根據管芯背面金屬化層的不同，考慮同質金屬融合可靠性高于異質金屬融合可靠性，我們針對背面金屬化層為金或鈦鎳金的產品，一般選用熔點為280℃的金錫（Au80Sn20）焊料作為焊接焊料；針對背面金屬化層為銀或鈦鎳銀的產品，一般選用熔點為280℃的鉛錫銀（Pb92.5Sn5Ag2.5）焊料作為焊接焊料。

3.2爐溫的穩(wěn)定性

爐溫是實現焊料融化、管芯和底座黏結的最關鍵因素，因此爐溫的穩(wěn)定性是直接關乎產品的燒結質量。為了最大限度地保障爐溫的穩(wěn)定性，我們采用二級校準的方法對爐溫進行校準。第一級檢測靜態(tài)情況下燒結爐的控溫效果，第二級檢測動態(tài)情況下燒結爐的控溫效果。

3.3產品熱容量的確定

熱容量一般無法直接測定，只能通過不同材質的熱容系數、體積大小和溫差進行計算，且需要燒結的產品由于采用了各類工裝，因此其體積和材質均包含很多種類且形態(tài)各異，因此不便直接計算，常規(guī)采用工藝摸底的方式來確定爐內再次達到動平衡的時間。

3.4工藝條件的確定

工藝條件是保障產品質量的關鍵因素，為了找到合適的燒結工藝條件，我們制定了工藝試驗方案，并進行試驗對比摸底和確認。由于產品的燒結質量取決于焊料的熔融狀態(tài)，焊料的熔融狀態(tài)取決于燒結溫度、燒結時間。只要保證燒結溫度穩(wěn)定，調整合理的燒結時間，一定能找到合適的燒結工藝，保證產品的燒結質量，而造成產品燒結不良的因素主要有三個：第一，燒結溫度不合理。第二，燒結溫度不穩(wěn)定。第三，燒結時間不合理。

我們首先根據焊料熔點為280℃的實際和以往的經驗，將燒結工藝溫度設置為325℃，然后按照正交試驗法預設了多種工藝試驗條件，同時進行了可靠性考核，其結果表明：采用“預熱5min+燒結15min+冷卻5min”工藝條件生產的產品質量是最穩(wěn)定和可靠的，因此其工藝條件也是最合理的。試驗結果如表1：

表1　燒結工藝摸底試驗表Tab.1 Sintering process diagnostic test table

3.5原材料的表面狀態(tài)處理

燒結過程中采用的管芯、零件、焊料、過渡電極片等各類原材料存放時間、存放環(huán)境均不同，其表面是否存在沾污或氧化的狀態(tài)都是千差萬別的。因此，為了保證上述工藝的穩(wěn)定性，生產前必須對所有的原材料表面進行處理。常規(guī)的處理方法有：第一，采用去油能高溫煮沸去除油污。第二，采用丙酮浸泡，超聲清洗去除表面有機沾污。第三，采用高溫通氫退火去除表面氧化。第四，采用高溫通甲酸去除表面氧化。第五，采用等離子清洗機活化金屬表面。第六，采用助焊劑提升黏結效果等。第七，采用酒精脫水烘干后再投入生產。

4　結論

燒結是半導體器件生產過程中的一道關鍵工序，燒結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：影響產品燒結質量的主要因素有原材料表面狀態(tài)、爐溫的穩(wěn)定性、實際的燒結溫度、燒結時間等，同時還受到待燒產品熱容量、預熱時間、冷卻時間等影響。燒結是一道影響因素較多又難以控制的一道工序，要想嚴格把控產品燒結質量，必須從人、機、料、法、環(huán)等各個方面進行細致的分析和判斷，整理出一套嚴格的生產步驟和控制方法，并通過不斷的工藝試驗進行確認和固化，方能取得比較好的結果。

Discussion on the Quality Control Method of Sintering Furnace

ZHAOXing-jiang
(Chinese Zhenhua Group WIKOElectronics CoLtd,Guiyang550000,China)

In order to strictly control the quality of the sintering process,we analyze the principle of sintering,from people,machines,materials, methods,and other aspects ofthe analysis,tofind out the weak link and control.

Sinteringprocess;Influence factor;Control method;Test method

TQ205

A

1674-8646（2015）09-0106-02

2015-05-29