一种高焊透率手工共晶焊接半导体裸芯片的方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于手工操作的高焊透率半导体裸芯片共晶焊接方法，该方法通过设置合理有效的手工共晶焊接工艺流程及设计使用通用型定位装卡工装，来大大提升半导体裸芯片手工共晶焊接的焊透率，并有效提高生产效率及工艺适用性。本发明尤其适合小批量、多品种研制类产品的应用实现，能够在确保焊接高质量的同时有效的较低生产成本，提高生产效率。
【专利说明】
一种高焊透率手工共晶焊接半导体裸芯片的方法
技术领域
[0001]本发明属于电子组件封装领域，尤其涉及一种基于手工操作的半导体裸芯片高焊透率共晶焊接方法。【背景技术】
[0002]MMIC以其体积小、重量轻、优良的高频特性及高可靠性，已广泛应用于军事卫星通信、相控阵雷达、导航等多种重要领域。微波电路通常频率较高(1GHz以上)，故芯片的接地状况影响着电路串扰和插入损耗，同时也带来了附加电容与震荡。同时T/R组件所用发射部分的大功率MMIC芯片的基体材料导热差，因此大功率芯片与基体(基板)的连接必须要有十分好的微波接地能力(低欧姆接触)和较好的散热能力，选用合金焊料进行共晶焊接较为合适。焊透率(被钎接面积/需焊接面积)直接反映了接地效果和散热能力，是整个技术的重要指标。
[0003]大功率MMIC芯片的基体材料导热差，为减小芯片内部的热阻，增强芯片的散热能力，在制造过程中丽1C芯片做的很薄(0.1mm左右)，同时GaAs是脆性材料(比硅更脆)，因此在焊接组装MMIC芯片时如果不小心或是焊接工艺方法存在不足，就可能导致芯片基体碎裂或划伤芯片表面的电路图形，因此对焊接工艺提出了更加严格的要求。
[0004]目前，为保证较高的共晶焊透率，在针对大批量芯片共晶时常采用真空烧结的方式进行，使用该方法必须针对每一种单一芯片制备专用的定位及夹持工装，且必须依靠真空烧结炉这种昂贵的设备来实现装配焊接，工艺实现成本很高，在针对小批量、多品种的研制类产品应用实现时也无法保证较高的生产效率。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种具有较高工艺适用性、低成本、高效的半导体裸芯片共晶焊接方法，通过设置合理有效的手工共晶焊接工艺流程及设计使用通用型定位装卡工装，来大大提升半导体裸芯片手工共晶焊接的焊透率，并有效提高生产效率及工艺适用性。
[0006]具体而言，本发明提供一种基于纯手工操作完成的高焊透率(95%以上)半导体裸芯片共晶焊接方法，包括以下步骤:
[0007]步骤一:对待焊接裸芯片特点进行分析，选定合适的焊片大小、厚度及合金种类；
[0008]步骤二:裁剪芯片焊接面搪锡用焊料片;裁剪芯片共晶用焊料片，按芯片外形进行裁剪；
[0009]步骤三:设置氮气保护热台温度，放置镀金金属板进行预热；
[0010]步骤四:镀金金属板上放置芯片搪锡用焊料片，待熔化后，使用芯片夹拾取芯片， 在熔融焊料处向下施加压力顺时针研磨预定个数的循环后拾起芯片完成搪锡预处理；
[0011]步骤五:使用焊接定位工装对芯片热沉载片进行夹持，完成后整个工装固定于氮气保护热台上，热台开始加温；
[0012]步骤六:待热台温度达到设定值30s后，在热沉载片上芯片待焊接处放置裁剪好的芯片共晶用焊料片；
[0013]步骤七:待焊料熔融后，使用芯片夹拾取芯片，使裸芯片从长边一侧沿熔融焊料表层水平移动将氧化浮膜推出焊料表面，完成后再将芯片沿相反方向做同样操作回到初始位置；
[0014]步骤八:沿熔融焊料表层将裸芯片水平移动至焊料正中位置后，向下施加压力使芯片底面同热沉载片相接触，小幅度顺时针研磨预定个数的循环后松开芯片夹。
[0015]步骤九:将焊接工装整体从热台上取下置于冷却台上冷却，最后取下在热沉载片上完成共晶焊接的芯片组件；
[0016]进一步的，所述步骤二中，裁剪芯片焊接面搪锡用焊料片，尺寸为芯片实际面积的 70%?80%。
[0017]进一步的，所述步骤二中，裁剪芯片共晶用焊料片，尺寸为芯片尺寸的85%? 90% 〇[〇〇18]进一步的，所述步骤三中，设置氮气保护热台温度高于焊料熔点30?40°C。
[0019]进一步的，所述步骤四和步骤八中，预定个数的循环为3-6个循环。
[0020] 有益效果:
[0021]与现有技术相比，本发明的技术方案通过设置合理有效的手工共晶焊接工艺流程及设计使用通用型定位装卡工装，来大大提升半导体裸芯片手工共晶焊接的焊透率，并有效提高生产效率及工艺适用性，具有高工艺适用性、低成本、效率高的优点。本发明尤其适合小批量、多品种研制类产品的应用实现，能够在确保焊接高质量的同时有效的较低生产成本，提尚生广效率。【附图说明】
[0022]图1是本发明基于手工共晶焊接方法的工艺流程图；[〇〇23]图2是焊接定位装卡工装示意。【具体实施方式】[〇〇24]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明的技术方案进行详细说明。
[0025]本发明基于纯手工高焊透率共晶焊接方法的工艺流程如附图1所示。
[0026]对待焊接裸芯片特点及应用场合进行分析，选择合适成分的合金焊片，根据芯片实际尺寸确定焊片的大小及厚度。
[0027]根据芯片背面搪锡及共晶焊接的不同用途按照芯片大致形状等比缩小裁剪合金焊料片(其中搪锡用焊片尺寸为芯片面积的70%?80%，共晶用焊片尺寸为芯片面积的 85%?90%)。
[0028]芯片及焊料片长期放置产生的氧化膜是造成芯片焊接过程中空洞率较高及焊接可靠性降低的重要因素。针对半导体裸芯片的共晶焊接首先要解决的就是焊接过程去氧化层的问题。为此，本方法中通过对芯片焊接前进行搪锡处理及焊接过程中的工艺方法保障来解决该问题。
[0029]为尽量减少加热过程中新氧化的产生，本方法的所有加热流程皆在具备氮气保护功能的加热台上进行。
[0030]首先对芯片背面进行搪锡处理，为避免因搪锡过程中焊料过多造成芯片上表面沾污，在选择焊料的时候尺寸不应过大，约芯片面积的70%?80%为最佳，厚度25微米。具体搪锡过程为:[〇〇31]①热台上夹持镀金金属板，设置高于焊料熔点30?40 °C的温度对金属板进行加热。常用焊料片熔点为:80Au(金)20Sn(锡)=280°C;88Aul2Ge(锗)= 356°C;98Au2Si( — ) = 370 °C〇[〇〇32]②热台温度升到设定温度30s后，在镀金金属板上放置芯片搪锡用焊料片；
[0033]③待焊料片熔化后，使用芯片夹拾取芯片，在熔融焊料处向下施加压力顺时针研磨3-6个循环后拾起芯片完成待焊芯片背面的搪锡预处理。[0〇34]由于芯片及热沉载片本身尺寸很小(一般面积为1?10mm2，厚度0 ? 05?0 ? 2mm)，在焊接过程中为提高生产效率及一次焊接合格率，本方法使用自制的通用型定位工装进行热沉载片的夹持定位，如附图2所示(综合考虑散热、材料硬度、热膨胀系数等因素后工装最终采用钛合金材料制作)。具体的共晶焊接工艺过程为:
[0035]①载体工装夹持完成后整个工装固定于氮气保护热台上进行预热；[〇〇36]②待热台温度达到设定值30s后，在热沉载片上芯片待焊接处放置裁剪好的芯片共晶用焊料片；
[0037]③待焊料熔融后，使用芯片夹拾取芯片，使裸芯片从长边一侧沿熔融焊料表层水平移动将氧化浮膜推出焊料表面，完成后再将芯片沿相反方向做同样操作回到初始位置。 通过上述方法，最大限度的去除焊接过程中出现的氧化浮膜，从而保证最终的焊接效果；
[0038]④沿熔融焊料表层将裸芯片水平移动至焊料正中位置后，向下施加压力使芯片底面同热沉载片相接触，小幅度顺时针研磨3?6个循环后松开芯片夹，确保焊料在热沉载片表面及芯片背面得以充分、良好润湿；
[0039]⑤将焊接工装整体从热台上取下置于冷却台上冷却，最后取下在热沉载片上完成共晶焊接的芯片组件。
[0040]上述【具体实施方式】仅用于解释和说明本发明的技术方案，但并不能构成对权利要求保护范围的限定。本领域技术人员应当清楚，在本发明的技术方案的基础上，进行任何简单的变形或者替换，而得到的新的技术方案，均将落入本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种高焊透率手工共晶焊接半导体裸芯片的方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤一:对待焊接裸芯片特点进行分析，选定合适的焊片大小、厚度及合金种类；步骤二:裁剪芯片焊接面搪锡用焊料片;裁剪芯片共晶用焊料片;根据芯片背面搪锡及共晶焊接的不同用途按照芯片形状等比缩小裁剪合金焊料片；步骤三:设置氮气保护热台温度，放置镀金金属板进行预热；步骤四:镀金金属板上放置芯片搪锡用焊料片，待熔化后，使用芯片夹拾取芯片，在熔 融焊料处向下施加压力顺时针研磨预定个数的循环后拾起芯片完成搪锡预处理；步骤五:使用焊接定位工装对芯片热沉载片进行夹持，完成后整个工装固定于氮气保 护热台上，热台开始加温；步骤六:待热台温度达到设定值30s后，在热沉载片上芯片待焊接处放置裁剪好的芯片 共晶用焊料片；步骤七:待焊料熔融后，使用芯片夹拾取芯片，使裸芯片从长边一侧沿熔融焊料表层水 平移动将氧化浮膜推出焊料表面，完成后再将芯片沿相反方向做同样操作回到初始位置； 步骤八:沿熔融焊料表层将裸芯片水平移动至焊料正中位置后，向下施加压力使芯片 底面同热沉载片相接触，小幅度顺时针研磨预定个数的循环后松开芯片夹；步骤九:将焊接工装整体从热台上取下置于冷却台上冷却，最后取下在热沉载片上完 成共晶焊接的芯片组件。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤二中，裁剪芯片焊接面搪锡用焊料 片，其尺寸为芯片实际面积的70%?80%。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤二中，裁剪芯片共晶用焊料片，其尺 寸为芯片尺寸的85%?90%。4.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤三中，设置氮气保护热 台温度高于焊料熔点30?40°C。5.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤四和步骤八中，预定个 数的循环为3-6个循环。
【文档编号】B23K1/00GK105977173SQ201610340837
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月20日
【发明人】王曦, 狄隽, 袁关东, 查家宏
【申请人】北京华航无线电测量研究所