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www.lihuachina.com 东莞市力华机械设备有限公司硅器件和砷化镓的钎焊制造器件时,通常将处理好的硅器件芯片钎焊在管壳的基座上。基座材料一般为 194合金(Cu)为 97% 97.8%、(Fe)为 2.1% 2.7%,以及少量的磷和锌) ,或可伐(镍 28.5% 29.5%、钴 16.8% 17.8%,余量为铁) 。有些微波功率管则要求将芯片钎焊在经过金属化的氧化铍陶瓷片上,也有些大功率管钎焊在镀镍的钼片上。基座一般为金属或经过金属化的陶瓷片(可用电镀法制作易焊的金属化层) 。芯片背面金属化处理就复杂得多,所用金属必须与硅能形成良好的欧姆接触,而且在制做金属化层时不能破坏芯片性能,更不能玷污芯片。由于硅与很多金属润湿性极差,并且在大气中硅表面很快生成一层二氧化硅,所以要求接触层金属对硅及二氧化硅均具有很好的润湿性,并且要求钎焊性良好,其热膨胀系数也要与硅接近。由上述表格(半导体技术中常用金属的性能)得知,几乎没有一种单一金属能全面满足上述要求。过去国内芯片背面常用镍层,其润湿性和钎焊性均勉强可用。一些要求较高的器体背面常用金,但价格昂贵。随着微电子技术的发展,不但对电子器件的技术性能要求越来越高,并且要求成本越来越低,单一层金属化已不能满足新的要求,因此近年来逐渐向多层金属化发展。一般采用三层结构。与硅直接接触的称为上粘附层,与钎料接触的称为下粘附层,在两者之间的是过渡层(或称阻挡层) 。1.上粘附层。要求对硅或二氧化硅润湿性良好;对硅的欧姆接触系数小;且膨胀系数应与硅相近。上表中只有 Cr、Ti 、V 可用选用(Al 热膨胀系数与硅相差太大,不宜选用) 。2.下粘附层。它位于芯片背面的最外层,要求性能稳定,易于钎焊,且要求导电和导热性能良好,一般选用 Au、 Ag,近年来也有选用 Sn 的。 Au 的价格最贵,Ag 表面易受H2S、SO 2、NO 2 及 Cl污染而生成导电性很差又很难焊接的 Ag2S、AgCl 等。用 Sn 作为下半导体技术中常用金属的性能与硅的欧姆接触系数/x10-4cm序号金属蒸发温度(蒸汽压1.33) Pa/线胀系数(25下)/(10 -6/)热导率(25下)/W/(cmK)电阻率10-6cm N-Si=10 -3cm =Si9=210-3cm与 Si/SiO的润湿性钎焊性1 Cr 1205 6.7 0.91 12.9 310-2 410-2 很好 很难2 Ti 1737 8.5 0.2 42 110-2 110-2 很好 很难3 V 1847 8 0.6 2526 很好 4 Al 1148 25 2.37 2.65 910-2 310-2 很好 很难5 Mo 2533 5 1.4 5.2 810-2 610-2 较好 6 W 3309 4.5 1.78 5.56 较好 很难7 Ni 1566 13 0.899 6.84 210-2 210-2 较好 不容易8 Ag 1049 19 4.27 1.59 很差 很好9 Au 1465 14.2 3.15 2.24 很差 很好10 Pt 2090 9 0.73 10.6 很差 很好11 Pb 718 29 0.346 20.65 很差 不容易12 Sn 1189 20 0.64 11 很差 很好 www.lihuachina.com 东莞市力华机械设备有限公司粘附层,钎焊温度较低,一般控制 300左右。3.过渡层。在用 Au、Ag、Sn 作下粘附层时,不能直接将它们做在上粘附层Cr、Ti 、 V 上。由于它们极易溶于铅锡等钎料中,造成钎料直接与难焊金属 Cr、Ti、V 接触,使芯片钎焊性能变坏。另外,Cr 是亲氧物质,Cr 扩散到表面和氧形成 Cr2O3,这种氧化层的电阻很大,钎焊性很差。所以通常要在上粘附层 Cr、Ti、V 和下粘附层Au、Ag、Sn 之间设置阻挡层作为过渡。通常过渡层采用 Ni 或合金。Ni 与Au、Ag、Cr、Ti、V 都易结合,能防止钎料直接与 Cr、 Ti、V 接触,且 Ni 的热膨胀系数介于 Cr、Ti、V 和 Au、Ag 之间,热匹配性能良好。也有用 Cr/Ag 合金膜代替 Ni 的。当前较流行的三层结构为 V-Ni-Au。它的总厚度约 12m。在制做时,山下粘附层较薄而过渡层较厚,这是因为上粘附层(Cr、Ti、V)电阻较大,下粘附层(Au、Ag )较为贵重,都不宜做得太厚。采用 Sn 作为下粘附层时则例外Sn 层可做的较厚,达 56m 。4.近年来,不少生产厂家对不同类型的器件采用不同的金属化结构。如日本某公司采用如下结构:pnp 硅小功率器件金属化层为 Au。npn 硅小功率产器件金属化层为 Au/As-Au(小功率管一般采用共晶焊) 。pnp 硅大功率器件金属化层为 Cr、Ni、Ag 、Au 。npn 硅大功率器件金属化层为 Au/As、Cr、Ni、Ag 、Au 。美国国家半导体公司则采用 Sn 作为下粘附层,它不仅节省了贵重金属,而且钎焊温度有所降低,有利于提高装配成品率,有一定的发展前途。pnp 硅器件金属化层为 Cr、Ag 、Sn 。npn 硅器件金属化层为 Au/As、Ag 、Sn.两者层的厚度约 68m,其中 Sn 厚度约占总厚度的 80%。硅器件钎焊工艺通常先把做好的芯片减薄到一定的厚度,再在其背面作金属化处理。将金属化后的芯片用钎料钎焊在已电镀的管壳基座上。钎焊温度和时间要根据所采用的钎料熔点及芯片面积、基座热容量等诸因素决定。钎焊温度对钎焊质量和器件性能有显著影响。温度过低,钎料熔化不良,润湿性差,使器件热阻变大饱和压降增加;温度过高,钎料熔化过度,铺展面积过大,且易使器件性能变坏,钎焊温度一般钎料熔点高 1550较为适宜。至于钎焊时间,应根据钎焊温度、芯片大小、基座热容量等因素通过试验确定。钎焊过程一般包含预热、保温个降温三个阶段。为了防止在钎焊过程中母材和钎料的氧化,可在真空下钎焊,真空度一般不低于13Pa。为了便于自动化大生产,近年来多采用惰性气体(氮气)保护钎焊,也有在氮气中加入 3%5%的氢气,能使器件的钎焊性能更佳。另外,也可采用还原性气体纯氢气保护钎焊。在硅器件芯片的焊接中,另一种应用很广的是共晶钎焊法。它是利用芯片背面的金属(如金片)在加热时形成金硅低共熔合金而钎焊芯片的一种方法。Au-Si 低熔共晶合金含 Si3.2/%,熔化温度为 363。钎焊时,要求基座和芯片加热到 400420左右,还可以在加热的同时使芯片和基座之间相互擦动以利于钎焊。芯片背面金属化层厚度越厚,越有利于钎焊。芯片背面金属化层厚度越厚, ,越有利于钎焊,但考虑到成本因素,通常控制在 11.5m。芯片背面不蒸金时,也可在芯片和基座之间加入厚度 0.020.03mm 的金箔(或金- 锑箔) 。检查钎焊质量的方法是:首先观察钎料是否充分熔化,再通过检查抗剪强度、导热情况(用热阻大小表示)和导电情况(器件压降)来判断钎焊质量。还可将芯片剥离,观察芯片背面和基座间的共晶面(未形成合金的镀金层是黄色,共晶面是银白色) 。良好的钎焊 www.lihuachina.com 东莞市力华机械设备有限公司质量,其共晶面的面积应不低于芯片背面面积的 75%。砷化镓器件的钎焊GaAs 是化合物半导体中发展最成熟和应用最广泛的材料,但与硅工艺相比无论是材料制备或是器材制造技术,都显得不够成熟。砷化镓的主要缺点是在加热到 600以上时,其表面失去 As,因而破坏了化学计量比,使器件制造工艺变得复杂,这是它不如 Si 工艺成熟的主要障碍。但是,由于化合物半导体的特殊性能和应用的迫切要求,其器件制造工艺正在迅速发展,已经成为一门独立的有生命力的技术。GaAs 芯片的钎焊是化合物半导体工艺中新发展起来的技术(过去多用导电树脂粘接) 。芯片钎焊前必须经过金属化工艺处理,金属化层与 GaAs 芯片之间必须符合欧姆接触,金属化层与电镀好的管壳进行钎焊时,钎料不能直接与 GaAs 接触,否则会影响半导体器件的性能。金属半导体接触及金属化金属化是半导体器件的重要工艺之一。欧姆接触与肖特基势垒均属-半导体接触范畴,此处仅对 GaAs 的欧姆接触进行简单介绍。化合物半导体欧姆接触的类型很多,其中使用最多的是表面高掺杂型(隧道穿透型) ,作为接触的合金与半导体有源层通过合金化互相作用,在接触合金下形成一个高掺杂再生长层。由于载流子耗尽层很薄,载流子能以隧道效应在金属和半导体之间的势垒进行输运。欧姆接触的合金由以下一些成分组成:1.粘附金属。为使掺杂元素与半导体展附性好,在 GaAs 上先蒸上一层 Cr、Ni 或 Al 等金属,以增加金属与半导体之间的粘附。2.掺杂元素。对-族化合物而言, n 型可用A 族的 Si、Ge 、Sn 和B 族的Se、Te 。p 型一般用 A 族的 Be、Mg 和B 族的 Zn、Cd 。掺杂元素的表面还要覆盖一层合金层,对 n 型 GaAs 最常用的合金为 AuGeNi(金锗共晶合金中熔解了镍) ,在 500时与 GaAs 平衡的 AuGeNi 中 Ni 的平均溶解度为 2.52%(质量分数) ,650时为 2.67%(质量分数) 。对 p 型 GaAs 而言,其金属化合物为 Be 或 AuZn 合金膜,或用外延的方法在GaAs 表面上制 TiPt 或 CrAu 膜。3.覆盖金属。为使欧姆接触能与外壳(或引线)钎焊,一般在掺杂层外面再覆盖一层易焊金属,最常用的覆盖金属为金。芯片钎焊为了保证材料性能不受破坏,只能采用软钎焊进行芯片的钎焊,但要求有足够的强度、良好的散热性能和较低的欧姆接触电阻。芯片钎焊方法主要有软钎焊法和共晶钎焊法(薄焊焊接法)两种。钎焊方法的选择需根据器件的材料、结构、引线组装、表面金属化结构以及可靠性等综合考虑确定。软钎焊法是用钎料进行钎焊的。为了防止氧化,一般采用包金钎料球或钎料片。钎料放置在金属化(或合金化)的芯片和电镀过的管座之间进行钎焊。为了提高芯片钎焊质量和速度,不仅需要合适的温度、压力和时间,还要施加一定的揉动。常用的揉动方法有两种:一种是芯片对管座作相应的平移;另一种是由超声波振动产生的摩擦。为了避免划伤芯片,焊头端部是真空吸嘴(俗称气镊子或真空镊子) 。
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