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。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粘接，并形成良好的歐姆接觸。該工藝在實現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，由于我們要實現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個溫度區域，分別是預熱區、恒溫區、高溫區、真空區、冷卻區，全程通氮氫混合氣體，其中前4個溫區通入熱氮氫混合氣體，冷卻區通冷氮氫混合氣體，5個溫區的作用分別是：

（1）預熱區：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、水汽體等蒸發掉，為器件恒溫，焊料融化作準備;

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

（3）高溫區：也叫回流焊區，該區域溫度需設置較恒溫區略高，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：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，必然形成燒焊空洞，而通過真空區對器件進行抽真空，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：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

焊料是實現燒焊過程的關鍵材料，它的選取與產品設計息息相關。根據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.爐溫的穩定性

爐溫是實現焊料融化、管芯和底座粘接的最關鍵因素，因此爐溫的穩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控是必不可少的。為了最大限度的保障爐溫的穩定性，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給需要燒焊的產品加熱，使焊料達到熔點融化而實現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，將裝配好的固定數量產品推入恒溫區內，同時采用點溫計實際檢測恒溫區的溫度變化，每100秒觀察并記錄一次，描繪出恒溫區內的溫度變化曲線，從而判斷出恒溫區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和氣體的排除，焊料的熔融狀態取決于燒焊溫度、燒焊時間。只要保證燒焊溫度穩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、燒焊溫度不穩定。3、抽真空時間不夠。

根據分析，我們首先根據焊料熔點為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.