共晶烧结技术的实验研究

摘 要：随着微波混合集成电路向着高性能、高可靠、小型化、高均一性及低成本方向的发展，对芯片焊接工艺提出了越来越高的要求。本文对几种共晶烧结方法进行了实验比较，讨论了各种方法的适用范围，影响质量的因素并对实验结果进行了简单的讨论。

关键词：共晶；烧结；工艺；微波混合集成电路

中图分类号：TN305文献标识码：A文章编号：1003-353X(2005)09-0053-04
1 引言

将半导体芯片及周围电路装配到希望的载体上(如管壳等)，实现的方法主要有导电胶（epoxy）粘接和共晶（eutectic）烧结两种。导电胶粘接具有工艺简单、速度快、成本低、可修复、低温粘接、对管芯背面金属化无特殊要求等优点，但在微波频率高端或微波大功率时，由于导电胶粘接的电阻率大，导热系数大，造成微波损耗大、管芯热阻大、结温高，其功率性能及可靠性等方面将受到影响。

由表1可以看出，共晶烧结的热性能、电性能及机械性能大大优于导电胶粘接。因此在频率较高、功率较大、可靠性要求较高时，应当采用共晶烧结。
2 共晶烧结实验研究

2.1 共晶烧结实验原理
众所周知，两种不同的金属可在远低于各自的熔点温度下，按一定比例形成共熔合金，这个较低的温度即为它们的低共熔点。共晶烧结就是在芯片和载体（管壳或基片）之间放入一共晶合金薄片（焊料），在一定的保护气氛中加热到合金共熔点使其融熔，填充于管芯和载体之间，同时管芯背面和载体表面的金会有少量进入熔融的焊料，冷却后，会形成合金焊料与金层之间原子间的结合，从而完成芯片与管壳或其他电路载体的焊接[1]。

焊料是一层薄薄的合金薄片，可以是金锡（80％Au，20％Sn，熔点280℃），金锗（88％Au，12％Ge，熔点356℃），金硅（97％Au，3％Si，熔点370℃）等。焊料的选择取决于管芯的材料和希望的烧结温度。由于微波电路中较多采用的GaAs器件无法承受很高的温度，所以一般选用金锡焊料，而对于硅器件则多采用金硅焊料[2]。是金合金的熔点参考图。

2.2 实验研究
2.2.1 焊接质量标称参数的确定

（1）在器件与载体间提供良好的热传递途径；

（2）保证器件背面与载体间的良好电学接触；

（3）器件在今后的使用过程中及可能的各种恶劣环境下始终保证以上两点的实现，即高稳定性和高可靠性；

（4）机械性能良好。

2.2.2 实验参数的确定
从以往的研究可以看出，烧结后焊料的状态，以及焊料与管芯之间、焊料与载体之间的界面状态在很大程度上影响到烧结的质量。由于器件与电路载体之间的热膨胀系数不同，其引起的应力将主要集中在器件与载体间的界面上。而在烧结过程中在焊料中出现的空洞会导致这种应力在局部的集中，与此同时，由于空洞并非热的良导体，它也会引起器件工作时产生的热量在局部的集中。这些都将影响到整个电路系统的长期稳定性与可靠性。 因此，为了避免这些不利的影响，在烧结时，应保证器件背面、焊料及电路载体的清洁，去除有机沾污及氧化层等。焊料的用量应适当，不应太多（可能引起空洞的增加）或太少。如果使用预制焊料片，焊料尺寸应为管芯尺寸的80%～90%，厚度为0.5～1密耳。管芯背面的金属化也十分关键，若背面污染，焊料就不能良好扩散并浸润，若背面金属层太粗糙或镀金不均匀，也会造成共晶不良。

在芯片烧结过程中，要求芯片保持水平，以免芯片烧结倾斜对后序压焊工艺产生不良影响，芯片方位满足键合要求，芯片完整，无划伤，无散落的芯片碎片，烧结完成后焊区四周有明显的共熔区[1]。

2.2.3 实验方法

针对不同衬底材料的器件，目前普遍采用的烧结方法有以下几种。

（1）H2烧结：温度380℃，时间3min；Si芯片(背面无镀金层)及陶瓷基片；

（2）金硅共晶烧结：温度380℃,时间小于1min；管芯用Si芯片(背面有镀金层)；

（3）共晶镊子烧结：温度310℃,时间小于1min；管芯用GaAs芯片；

（4）真空烧结炉：温度310℃，时间10min，管芯用GaAs芯片及陶瓷基片。

本实验采用集成中功率宽带放大器金硅共晶烧结与H2烧结相结合，基片为陶瓷基片。

基片贴装材料：电绝缘粘接剂和Au-Sn烧结。

芯片贴装材料：Ag环氧粘接剂和Au-Si烧结。

分别按基片芯片粘接（编号为1～3）和基片芯片烧结（编号为4～6）两种组合，其它元件装配条件相同，175℃高温固3h，经键合、调试后，进行比较。
3 结果和讨论

3.1 性能
集成中功率宽带放大器电性能见表2。从表2上看粘接和烧结对产品的电性能影响并不大，但调试过程中，发现粘接的电路其取样电阻热比较集中，这样电路的预期寿命就会缩短。

3.1.1 热阻

表3给出了集成中功率放大器热阻,可见烧结基片和芯片的电路散热情况明显优于粘接。

3.1.2 机械性能

集成中功率放大器芯片剪切强度见表4。烧结的芯片剪切强度均大于2倍军标要求0.4kg，且芯片都有残余。

3.2 H2烧结
利用氢气作为保护气体且氢气还具有还原性。H2烧结出来的器件，焊料与芯片无缝隙，焊料周围光亮（）。该烧结比较适合基片与管壳或载体的烧结。烧结时要用钼夹子将装配的芯片或基片固定好。若不固定，芯片或基片与焊料只是简单接触，没有力的作用，焊料可以把芯片浮起来，导致相互之间熔合不好，有间隙，会使管芯受力不均，造成焊区周围的焊料不均匀。

该方法烧结的基片背面与管壳上95%以上都覆盖焊料（）。

H2烧结基片与管壳或载体熔融比较好，但对于温度特别敏感的化合物半导体器件则不宜采用，另外用于多芯片烧结也比较繁琐，效率低。

3.3 金硅共晶烧结
N2作为保护气体，利用金硅本身之间的共熔产生共晶合金，不需借助其它焊料[3]。该烧结方法要求基片背面有足够厚度的金，芯片用真空吸头吸住。

该吸头尺寸与芯片尺寸相匹配，采用倒四棱台状结构不易损伤芯片的有效图形（）。当管壳和基片达到AuSi共晶温度时，吸头靠真空吸住芯片（吸头也加热），然后对准所要烧结的位置，放置芯片，在热与压力的作用下，吸头通过摩擦振动与基片熔合，直到看到芯片周围有明显的熔合物出现，完成烧结。烧结时指示灯亮顺序依次为“ＰＩＣＫ”“ＶＡＣＣＵＭ”“ＰＬＡＣＥ”“ＳＣＲＵＢ”，吸头磨擦通过驱动马达来机械磨擦芯片，磨擦周期靠嵌板上“ＳＣＲＵＢＣＹＣＬＥ”的数字来设定。该方法烧结操作简单，效率高，一致性比较好，吸头尺寸可以根据芯片尺寸定制，适合批量烧结。是金硅共晶烧结的芯片。

3.4 共晶镊子烧结
N2作为保护气体，半自动化，双头（吸头与镊子）芯片烧结。靠气动镊子拾起和放下芯片，真空吸头吸起和放下焊片，将预制焊料片用真空吸头吸住，放在所需烧结的位置上，用镊子拾起管芯，镊子通过机械磨擦动作，直到芯片四周出现熔融合金就完成烧结。对于易被损伤的GaAs芯片，镊子用小的力夹住，镊子夹具的力通过校准装置设置，机械磨擦通过马达来驱动，其振幅和次数可程序化设置来实现。
该方法适合多种尺寸的GaAs芯片烧结，操作简便，效率高。焊料共熔区虽被氮气保护，但焊料表面仍易被氧化，另外镊子机械磨擦时，焊片会在烧结过程中带有焊料。是共晶镊子烧结的GaAs芯片。

3.5 真空烧结炉烧结法
该方法无空洞焊接，适合多芯片与基片同时烧结，一个斜坡温度控制器与用户定制的PLC相结合提供自动工艺控制。

该方法由一个均匀的石墨电阻加热单元发射的辐射能来提供热源。辐射能加热一个可以取下的热板。热板一般是用高发射率的石墨制成。一个K型热偶直接插入到热板中，以显示处理温度和温度控制。

工艺环境控制是通过自动起作用的电磁阀与温度控制器相结合。外部的真空泵是用以快速对舱室抽真空。氮气（用以冷却和工艺处理）和一个附加的惰性气体可以通过盖子上和舱室底部的端口进入到舱室中。通过对热、真空以及有压力的惰性气体的控制和程序组合，可获得无空洞焊料连结[4]。

该方法操作简单，适合小批量生产。是真空烧结炉烧结的芯片与基片。
4 结束语
目前共晶烧结技术相当成熟，选择合适的烧结方法，对共晶烧结技术采取一些检测手段，如红外热分析仪和X射线照相，有助于电路的可靠性分析。