一种实现对芯片共晶焊接的方法
【专利摘要】本发明提供一种实现对芯片共晶焊接的方法，步骤a：确定芯片中可压的区域并制备光刻掩膜板；步骤b：在镀金的陶瓷片上通过光刻显影的方法把芯片可压区域中的导电胶去除；步骤c：通过金丝球焊的方法在陶瓷片上去胶的位置植上球点作为凸点；步骤d：采用齿轮划切的方法把陶瓷片切割成与芯片大小一致的小陶瓷片；步骤e：根据要焊接的腔体形状制作工装定位夹具，使带金凸点的小陶瓷片压块夹具通过凸点与芯片无电路区域接触；步骤f：在小陶瓷片压块夹具的上面放一个压块从而间接的实现对芯片的真空可压焊接。采用上述方案，采用镀金陶瓷为基材，利用成熟的光刻技术和球焊植球技术制作的凸点来为焊接提供有效的机械支撑，方法适用范围广。
【专利说明】一种实现对芯片共晶焊接的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于对芯片共晶焊接【技术领域】，尤其涉及的是一种实现对芯片可压共晶焊接的方法。
【背景技术】
[0002]在高频微波电路中(频率在IGHz以上)芯片的接地状况严重影响着电路的串扰和插入损耗。同时，因为大功率GaAs基芯片导热差，所以大功率芯片与基板的连接必须要有十分好的微波接地能力和较好的散热能力。真空共晶焊接具有连接电阻小、传热效率高、散热强度大等优点，所以要比导电胶更适合来焊接大功率芯片。
[0003]在GaAs基芯片中要获得高电导率、高热导率和低空洞率的共晶焊接效果，就必须在真空焊接的过程中对芯片提供一定的压力来使焊片在融化时能充分的铺展开。但一方面由于大功率GaAs基芯片在制作过程中不仅很薄(一般是0.1mm)，而且很脆，因此在焊接过程中如果不小心就很容易导致芯片基体破碎；另一方面，芯片的表面都具有精密复杂不可压的电路图形，在焊接时采用常规的方法提供压力就会容易造成芯片上的电路被划伤。因此，怎样在芯片焊接时提供压力严重阻碍了真空焊接技术的发展。
[0004]在关于真空焊接为芯片提供压力及定位的方法上，专利申请号201010588655.7揭示了一种采用高温石墨板的工装夹具，并且在石墨板上铣洗若干个槽，槽中通过放置精密的不锈钢插针的方法从而不仅实现在焊接时对芯片的压接而且实现了芯片焊接的定位。专利申请号201019063028.9揭示了在对LED芯片进行共晶焊接时，采用了带有Cu柱的热沉插件的支架，通过夹具的作用把LED芯片共晶焊接在支架上。
[0005]专利申请号01010588655.7揭示的真空共晶焊接芯片的方法中，采用了在石墨夹具上铣洗若干个槽，通过在槽中放置不锈钢插针的方法对芯片提供压力实现焊接，此种方法也是目前真空共晶焊接芯片普遍采用的方法。但这种方法的缺点是由于芯片中不可压的区域很小(一般只有0.05mm的边框)，所以在石墨中铣洗如此小的槽和制作如此小的不锈钢插针很困难，对设备的要求很高，增加了夹具制备的难度，而且成本很高；另一方面，采用此种方法制备夹具时间很长，适用性不强。
[0006]另外，专利申请号201019063028.9揭示了在热沉上实现对LED芯片的真空共晶焊接，此种方法虽然容易实现，但只能把LED芯片焊接在热沉中，对在形状各异的腔体中焊接芯片并不可行；另外，此种方法对设备的要求很高。
[0007]因此，现有技术存在缺陷，需要改进。
【发明内容】
[0008]本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种实现对芯片共晶焊接的方法。
[0009]本发明的技术方案如下:
[0010]一种实现对芯片共晶焊接的方法，其中，包括以下步骤:[0011]步骤a:根据芯片的图形确定芯片中可压的区域并制备光刻掩膜板；
[0012]步骤b:在镀金的陶瓷片上通过光刻显影的方法把芯片可压区域中的导电胶去除；
[0013]步骤c:通过金丝球焊的方法在陶瓷片上去胶的位置植上球点作为凸点；凸点的高度高于芯片中空气桥的高度，并且墩平球凸点；
[0014]步骤d:采用齿轮划切的方法把陶瓷片切割成与芯片大小一致的小陶瓷片，并将小陶瓷片采用丙酮清洗的方法去掉光刻胶，从而制备出具有金凸点的小陶瓷片压块夹具，为在焊接时为芯片提供压力；
[0015]步骤e:根据要焊接的腔体形状制作工装定位夹具，并把焊片、芯片放置在所述工装定位夹具中，再将制备的带金凸点的小陶瓷片压块夹具倒扣在芯片上，使带金凸点的小陶瓷片压块夹具通过凸点与芯片无电路区域接触；
[0016]步骤f:在带金凸点的小陶瓷片压块夹具的上面放一个压块从而间接的实现对芯片的真空可压焊接。
[0017]如权利要求1所述的对芯片共晶焊接的方法，其中，所述步骤a中的具体步骤是:根据芯片的CAD图，确定出芯片中无电路的可压区域，画出夹具掩膜板的图形并通过光绘仪制备出掩膜板，其中掩膜板的基本要求是仅设置夹具可压区域曝光显影。
[0018]所述的对芯片共晶焊接的方法，其中，所述可压区域为所述芯片四周无电路的边框区域。
[0019]所述的对芯片共晶焊接的方法，其中，所述步骤b中，具体的光刻步骤是:在镀金的陶瓷片上首先甩胶，然后依次进行前烘、曝光，最后通过显影的方法把陶瓷片中可压区域的导电胶去掉。
[0020]所述的对芯片共晶焊接的方法，其中，所述步骤c中，所述金丝球焊的方法中的金丝直径为18 μ m ;所述凸点的高度为40 μ m-50 μ m。
[0021]所述的对芯片共晶焊接的方法，其中，所述步骤e中，所述工装定位夹具陶瓷片的厚度大于焊片与芯片的厚度之和，并且小于焊片、芯片与带凸点小陶瓷片的厚度之和。
[0022]所述的对芯片共晶焊接的方法，其中，所述步骤e中，所述焊片为17μπι的Au80Sn20的焊片；所述制作工装定位夹具的步骤为激光打孔的方法在0.254mm厚的陶瓷片上制备出和芯片尺寸大小一致的通孔，在所打出的通孔里面依次放入焊片、芯片以及带金凸点的小陶瓷片压块夹具。
[0023]所述的对芯片共晶焊接的方法，其中，所述步骤f中，所述焊接的温度为300°C，焊接的时间为lmin30s，焊接的过程中通入的保护气体为高纯氮气。
[0024]采用上述方案，一方面，采用夹具倒扣芯片方式，有效解决了芯片共晶焊接时提供压力的问题；另一方面，采用工装定位夹具解决了芯片焊接的过程中定位问题方法简单，成本低廉，可行性强。夹具的制作采用镀金陶瓷为基材，利用成熟的光刻技术和球焊植球技术制作凸点来为焊接提供有效的机械支撑，此方法的适用范围广。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1为本发明提供的一种实现对芯片共晶焊接的方法流程图；
[0026]图2为本发明提供的一种实现对芯片共晶焊接的方法工艺示意图。[0027]图3为本发明中芯片的示意图。
[0028]图4为本发明制备的带凸点的小陶瓷片的示意图。
【具体实施方式】
[0029]以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。
[0030]实施例1
[0031]本发明的目的在于提供一种在真空共晶焊接GaAs基芯片时，能够为芯片提供压力和定位的方法，解决目前真空共晶焊接芯片时压力不容易提供和芯片定位困难的问题。为解决以上问题，本发明采用以下技术方案:
[0032]步骤a:根据芯片的图形确定芯片中可压的区域并制备光刻掩膜板；
[0033]步骤b、在镀金3μπι的陶瓷片上通过光刻显影的方法把芯片可压区域中的导电胶去掉，其余位置的光刻胶需要保留；
[0034]步骤C、通过金丝球焊的方法在陶瓷片上去胶的位置植上球点作为凸点，凸点的高度高于芯片中空气桥等易塌结构的高度(一般低于30 μ m)，并且墩平球凸点；
[0035]步骤d、采用齿轮划切的方法把陶瓷片切割成与芯片大小一致的小陶瓷片，并把小陶瓷片采用丙酮清洗的方法去掉光刻胶，从而制备出具有金凸点的小陶瓷片压块夹具，为在焊接时为芯片提供压力；
[0036]步骤e、根据要焊接的腔体形状制作工装定位夹具，并把焊片、芯片放置在工装定位夹具中，再将制备的带金凸点的小陶瓷片压块夹具倒扣在芯片上，使带金凸点的小陶瓷片压块夹具通过凸点与芯片无电路区域接触；
[0037]步骤f、在焊接时，在带金凸点的小陶瓷片压块夹具的上面放一个压块从而间接的实现对芯片的真空可压焊接。
[0038]所述步骤a中，根据芯片的图形确定芯片中可压的区域并制备光刻掩膜板，其具体步骤是:根据芯片的CAD图，确定出芯片中无电路的可压区域(一般在芯片的四周边框)，画出夹具掩膜板的图形并通过光绘仪制备出掩膜板，其中掩膜板的基本要求是夹具可压区域要曝光显影，不可压区域不曝光。
[0039]所述步骤b中，具体的光刻步骤是:在镀金的陶瓷片上首先甩胶，然后依次进行前烘、曝光后，最后通过显影的方法把陶瓷片中可压区域的导电胶去掉，为后面在上面制备凸点做好准备。
[0040]所述步骤c中，所用的金丝直径为18 μ m,所植出来的球焊点一般为40 μ m-50 μ m之间；
[0041]所述步骤e中，制作工装定位夹具陶瓷片厚度的要求是:工装定位夹具陶瓷片的厚度要大于焊片与芯片的厚度之和，小于焊片、芯片与带凸点小陶瓷片的厚度之和。
[0042]所述步骤f中，采用的焊片厚度为17 μ m的Au80Sn20的焊片，在焊接的过程中，焊接的温度为300°C，焊接的时间为lmin30s，焊接的过程中通入的保护气体为高纯氮气。所述制作工装定位夹具的步骤为激光打孔的方法在0.254mm厚的陶瓷片上制备出和芯片尺寸大小一致的通孔，在所打出的通孔里面依次放入焊片、芯片以及带金凸点的小陶瓷片压块夹具。
[0043]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明的共晶焊接芯片的方法作进一步详细说明。
[0044]如图1所示，图1为本发明提供的一种共晶焊接芯片方法的流程图，该方法包括以下步骤:首先根据芯片的图形制备出光刻掩膜板，通过光刻的方法在镀金的陶瓷片上显影露出打球区域，然后采用金丝球焊机的方法在陶瓷片植球区域植球并墩平，并使用齿轮划切的方法把陶瓷片切成所需要尺寸的带球小陶瓷片，同时用丙酮清洗光刻胶，最后根据腔体的形状制备定位工装夹具，并在工装夹具中依次放入焊片、芯片、制备的带球小陶瓷片，采用真空共晶炉对上述组合体进行焊接。
[0045]其中焊接采用的为17m厚的Au80Sn20焊片；焊接的温度为300°C焊接lmin30s ;焊接的过程中采用高纯氮气作为保护气体，整个装置的示意图如图2所示。
[0046]图2是真空焊接芯片的整个装置示意图，图2中:1为制备的工装定位夹具；2为1711111厚的4118051120焊片；3为芯片；4制作的带金凸点小陶瓷片(或称为带金凸点小陶瓷片压块夹具)；5为焊接的过程中提供的压块。
[0047]其中工装定位夹具I的具体的制作步骤为:采用激光打孔的方法在0.254mm厚的陶瓷片上制备出和芯片尺寸大小一致的通孔，在所打出的通孔里面依次放入焊片、芯片以及带凸点的小陶瓷片，从而解决了芯片焊接过程中的定位作用；在本发明中，采用的为厚度为17μπι的Au80Sn20焊片2，使用焊片的尺寸和芯片的大小一致；其中芯片的厚度为0.1mm的GaAs基芯片3 ;通过齿轮划切的方法划出和芯片大小一致的带金凸点的小陶瓷片(或称带金凸点的小陶瓷片压块夹具)4，带凸点的区域所对应的为芯片可压区域，在金丝球焊植球的过程中采用的为18 μ m的金丝；5为在焊接的过程中在带凸点的小陶瓷片上又施加的一个压块，目的是为了让焊片在融化的过程中完全铺开。
[0048]图3为芯片的示意图，在GaAs基大功率芯片中，都存在一个宽度为0.05mm的无电路可压边框，图中3a代表的是芯片的表面有电路图形的不可压区域；3b黑色区域表示芯片的边框，芯片在边框的区域是没有电路图形的可压区域。因此，我们再设计凸点的过程中，都是把凸点打在芯片的边框，制备的带金凸点小陶瓷片如图4所示。
[0049]图4为在焊接中与芯片接触的带凸点的小陶瓷片。其中4a是采用的厚度为
0.254mm的镀金陶瓷片，并在陶瓷片中电镀3 μ m厚的金层，方便用来植球。4b是采用光刻植球的方法在陶瓷片上植的金凸点，所采用的为18μπι的金丝。带凸点的小陶瓷片的具体的制备步骤如下:首先根据芯片的不可压区域制备出光刻掩膜板，其中掩膜板中显影的区域为植球区域，对应的芯片的不可压区域；其次采用金丝球焊机在陶瓷片的显影区域植上金球作为凸点；然后采用且齿轮划切的方法把陶瓷片划切成与一个个与芯片大小一致的小陶瓷片；最后采用丙酮清洗的方法洗掉小陶瓷片上的光刻胶。
[0050]综上所述，本发明的一种实现对芯片共晶焊接的方法中，由于采用的GaAs基芯片都具有一个大小为0.05mm的无电路边框，因此采用金丝球焊植球的方法制备的小陶瓷片倒扣芯片的方式，有效解决了芯片共晶焊接时提供压力的问题，方法简单，成本低廉，可行性强；利用激光打孔的方法在陶瓷片上制作和芯片大小一致的通孔来解决芯片的定位作用。整个夹具的制作采用陶瓷为基材，能提供有效的机械支撑，并利用成熟的光刻技术和球焊植球技术来制作凸点，适用范围广。
[0051]应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
【权利要求】
1.一种实现对芯片共晶焊接的方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤a:根据芯片的图形确定芯片中可压的区域并制备光刻掩膜板； 步骤b:在镀金的陶瓷片上通过光刻显影的方法把芯片可压区域中的导电胶去除； 步骤c:通过金丝球焊的方法在陶瓷片上去胶的位置植上球点作为凸点；凸点的高度高于芯片中空气桥的高度,并且墩平球凸点； 步骤d:采用齿轮划切的方法把陶瓷片切割成与芯片大小一致的小陶瓷片，并将小陶瓷片采用丙酮清洗的方法去掉光刻胶，从而制备出具有金凸点的小陶瓷片压块夹具，为在焊接时为芯片提供压力； 步骤e:根据要焊接的腔体形状制作工装定位夹具，并把焊片、芯片放置在所述工装定位夹具中，再将制备的带金凸点的小陶瓷片压块夹具倒扣在芯片上，使带金凸点的小陶瓷片压块夹具通过凸点与芯片无电路区域接触； 步骤f:在带金凸点的小陶瓷片压块夹具的上面放一个压块从而间接的实现对芯片的真空可压焊接。
2.如权利要求1所述的对芯片共晶焊接的方法，其特征在于，所述步骤a中的具体步骤是:根据芯片的CAD图，确定出芯片中无电路的可压区域，画出夹具掩膜板的图形并通过光绘仪制备出掩膜板，其中掩膜板的基本要求是仅设置夹具可压区域曝光显影。
3.如权利要求2所述的对芯片共晶焊接的方法，其特征在于，所述可压区域为所述芯片四周无电路的边框区域。
4.如权利要求1所述的对芯片共晶焊接的方法，其特征在于，所述步骤b中，具体的光刻步骤是:在镀金的陶瓷片上首先甩胶，然后依次进行前烘、曝光，最后通过显影的方法把陶瓷片中可压区域的导电胶去掉。
5.如权利要求1所述的对芯片共晶焊接的方法，其特征在于，所述步骤c中，所述金丝球焊的方法中的金丝直径为18 μ m ;所述凸点的高度为40 μ m-50 μ m。
6.如权利要求1所述的对芯片共晶焊接的方法，其特征在于，所述步骤e中，所述的工装定位夹具陶瓷片的厚度大于焊片与芯片的厚度之和，并且小于焊片、芯片与带凸点小陶瓷片的厚度之和。
7.如权利要求1所述的对芯片共晶焊接的方法，其特征在于，所述步骤e中，所述焊片为17 μ m的Au80Sn20的焊片；所述制作工装定位夹具的步骤为激光打孔的方法在0.254mm厚的陶瓷片上制备出和芯片尺寸大小一致的通孔，在所打出的通孔里面依次放入焊片、芯片以及带金凸点的小陶瓷片压块夹具。
8.如权利要求1所述的对芯片共晶焊接的方法，其特征在于，所述步骤f中，所述焊接的温度为300°C，焊接的时间为lmin30s，焊接的过程中通入的保护气体为高纯氮气。
【文档编号】H01L21/60GK103617957SQ201310610874
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2013年11月26日 优先权日:2013年11月26日
【发明者】宋志明, 王斌, 李红伟, 吴红, 莫秀英, 曹乾涛, 龙江华 申请人:中国电子科技集团公司第四十一研究所