唐文斌

摘 要：在半導(dǎo)體分立器件生產(chǎn)過(guò)程中，燒焊空洞是一個(gè)永無(wú)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(huì)比較大，特別是大功率器件，其在工作時(shí)產(chǎn)生的大量熱量將無(wú)法通過(guò)有效途徑傳輸出去，從而導(dǎo)致工作時(shí)結(jié)溫過(guò)高，可靠性下降，降低了功率器件的工作壽命，甚至因?yàn)榻Y(jié)溫過(guò)高而被熱擊穿失效。

關(guān)鍵詞：燒焊空洞;燒焊原理;影響因素;真空

一、引言

在半導(dǎo)體分立器件生產(chǎn)過(guò)程中，芯片燒焊是一道關(guān)鍵工序，它的目的是在高溫的作用下，通過(guò)焊料燒焊的方式將管芯牢固的底座上。實(shí)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(xiàn)實(shí)和理想始終還是有差距的，我們不可能做到0空洞。對(duì)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(nèi)都比較好實(shí)現(xiàn)。但是對(duì)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(jìn)行簡(jiǎn)單的闡述。

二、燒焊原理

燒焊是半導(dǎo)體器件后部組裝生產(chǎn)線的第一道工序，它的目的是通過(guò)焊料熔融實(shí)現(xiàn)焊料與管芯背面和底座表面的浸潤(rùn)，然后通過(guò)冷卻的方式使焊料固化實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)過(guò)程中可以通過(guò)燒氫爐、鏈?zhǔn)綘t、真空爐、真空回流焊的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，由于我們要實(shí)現(xiàn)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(lái)焊接管芯的工藝。

三、燒焊工藝過(guò)程

采用真空回流焊爐進(jìn)行管芯的燒焊是一種較傳統(tǒng)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(guò)加熱氮?dú)浠旌蠚怏w，用氮?dú)浠旌蠚怏w對(duì)器件進(jìn)行加熱，然后進(jìn)去抽真空，將焊料融化過(guò)程中形成的氣泡抽走，最后冷卻降溫，達(dá)到降低芯片燒焊空洞的目的。

真空回流焊燒焊半導(dǎo)體器件一共需要經(jīng)過(guò)5個(gè)溫度區(qū)域，分別是預(yù)熱區(qū)、恒溫區(qū)、高溫區(qū)、真空區(qū)、冷卻區(qū)，全程通氮?dú)浠旌蠚怏w，其中前4個(gè)溫區(qū)通入熱氮?dú)浠旌蠚怏w，冷卻區(qū)通冷氮?dú)浠旌蠚怏w，5個(gè)溫區(qū)的作用分別是：

（1）預(yù)熱區(qū)：對(duì)器件進(jìn)行預(yù)熱，在此過(guò)程中，加熱過(guò)的氮?dú)浠旌蠚怏w可以使用器件表成附著的氣體、水汽體等蒸發(fā)掉，為器件恒溫，焊料融化作準(zhǔn)備;

（2）恒溫區(qū)：對(duì)從預(yù)熱區(qū)過(guò)來(lái)的氣體進(jìn)行持續(xù)加熱，使器件達(dá)到所設(shè)定的恒定溫度，焊料充分融化;

（3）高溫區(qū)：也叫回流焊區(qū)，該區(qū)域溫度需設(shè)置較恒溫區(qū)略高，以增加零件表面、焊料、芯片之間的浸潤(rùn)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(qū)：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(fā)，必然形成燒焊空洞，而通過(guò)真空區(qū)對(duì)器件進(jìn)行抽真空，真空度達(dá)20KPa以上，可以很好的抽掉焊料融化過(guò)程中形成的氣泡，達(dá)到有效控制燒焊空洞的目的。

（5）冷卻區(qū)：通過(guò)冷的氮?dú)浠旌蠚怏w對(duì)器件進(jìn)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(gè)讓焊料融化和固化的過(guò)程，實(shí)際的燒焊溫度過(guò)高或過(guò)低，都會(huì)嚴(yán)重影響產(chǎn)品的燒焊效果，下面就這幾個(gè)方面進(jìn)行闡述。

1.焊料的選擇

焊料是實(shí)現(xiàn)燒焊過(guò)程的關(guān)鍵材料，它的選取與產(chǎn)品設(shè)計(jì)息息相關(guān)。根據(jù)半導(dǎo)體器件普遍采用硅材質(zhì)，產(chǎn)品最高工作溫度為175℃的特點(diǎn)，我們一般選用熔點(diǎn)在300℃左右的軟焊料。再結(jié)合我們的公司特點(diǎn)，鉛錫銀焊料為我公司一直使用的焊料，固對(duì)于6層焊料燒焊器件，依然選擇鉛錫銀焊料。

2.爐溫的穩(wěn)定性

爐溫是實(shí)現(xiàn)焊料融化、管芯和底座粘接的最關(guān)鍵因素，因此爐溫的穩(wěn)定性是直接關(guān)乎產(chǎn)品的燒焊質(zhì)量，因此對(duì)爐溫進(jìn)行定期檢測(cè)和監(jiān)控是必不可少的。為了最大限度的保障爐溫的穩(wěn)定性，我們每天開(kāi)工前會(huì)對(duì)爐溫進(jìn)行簡(jiǎn)單的紅外線測(cè)試，每三個(gè)月會(huì)進(jìn)行一次較專業(yè)和復(fù)雜的耦合法溫度檢測(cè)，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(guò)恒溫區(qū)給需要燒焊的產(chǎn)品加熱，使焊料達(dá)到熔點(diǎn)融化而實(shí)現(xiàn)管芯與底座之間的金屬融合。但是如何設(shè)定升降溫曲線是器件焊料充分融化形成歐姆接觸的關(guān)鍵。

具體的試驗(yàn)方法為：在固定氣體流量和設(shè)定溫度值的前提下，將裝配好的固定數(shù)量產(chǎn)品推入恒溫區(qū)內(nèi)，同時(shí)采用點(diǎn)溫計(jì)實(shí)際檢測(cè)恒溫區(qū)的溫度變化，每100秒觀察并記錄一次，描繪出恒溫區(qū)內(nèi)的溫度變化曲線，從而判斷出恒溫區(qū)內(nèi)再次達(dá)到熱平衡的時(shí)間。

4.工藝條件的確定

工藝條件是保障產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)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(yàn)方案，并進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比摸底和確認(rèn)。由于產(chǎn)品的燒焊空洞取決于焊料的熔融狀態(tài)和氣體的排除，焊料的熔融狀態(tài)取決于燒焊溫度、燒焊時(shí)間。只要保證燒焊溫度穩(wěn)定和燒焊爐的真空度，調(diào)整合理的燒焊和抽真空時(shí)間，一定能找到合適的燒焊工藝，保證產(chǎn)品的燒焊質(zhì)量。而造成產(chǎn)品燒焊不良的因素主要有三個(gè)：1、燒焊溫度不合理。2、燒焊溫度不穩(wěn)定。3、抽真空時(shí)間不夠。

根據(jù)分析，我們首先根據(jù)焊料熔點(diǎn)為280℃的實(shí)際和以往的經(jīng)驗(yàn)將燒焊工藝溫度設(shè)置為350℃，經(jīng)過(guò)約50組的試驗(yàn)，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(nèi)）的燒焊工藝為：預(yù)熱400a+燒焊400s+高溫200s+抽真空200 s+冷卻300s。

五、結(jié)論

燒焊是半導(dǎo)體器件生產(chǎn)過(guò)程中的一道關(guān)鍵工序，燒焊質(zhì)量的好壞直接影響產(chǎn)品的使用可靠性，是我們必須提高認(rèn)識(shí)和加強(qiáng)控制的一道工序。通過(guò)上述試驗(yàn)，我們認(rèn)為：影響多層芯片燒焊空洞的主要因素有爐溫的穩(wěn)定性、實(shí)際的燒焊溫度、燒焊時(shí)間等，而燒焊空洞的存在是必然的，及時(shí)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(jié)果。

參考文獻(xiàn)：

[1]《真空燒焊工藝應(yīng)用研究》;作者：原輝;中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第43研究所.