專利名稱：一種真空共晶焊接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電子器件焊接領(lǐng)域，尤其涉及一種真空共晶焊接方法。
背景技術(shù)：
微電子封裝包含多個(gè)工藝步驟，其中芯片與熱沉之間的焊接是一個(gè)關(guān)鍵步驟。傳統(tǒng)的工藝方法是采用導(dǎo)電膠粘接，粘接后電阻率大、導(dǎo)熱系數(shù)小，造成微波損耗大，管芯、熱沉熱阻大，結(jié)溫高，功率輸出受限，造成電路組件性能指標(biāo)和可靠性下降，無(wú)法滿足軍用混合電路組件的組裝要求。目前，共晶焊接在微電子封裝中涉及面最廣，特別是軍用電子器件、組件進(jìn)一步向多功能集成及微型化方向發(fā)展，具有高頻、高速、寬帶的特點(diǎn)。共晶焊接一般采用以下幾種設(shè)備實(shí)現(xiàn)帶有吸嘴和鑷子的手動(dòng)共晶焊機(jī)；紅外再流焊爐以及真空共晶爐。采用手動(dòng)共晶焊接因是在空氣環(huán)境下進(jìn)行，容易產(chǎn)生空洞，空洞直接導(dǎo)致散熱性能降低，造成電路性能及可靠性的降低；如采用手動(dòng)共晶焊接方式進(jìn)行多芯片共晶時(shí)，芯片重復(fù)受熱，焊料多次融化易使焊接面氧化，嚴(yán)重影響芯片的壽命和性能。采用紅外再流焊爐進(jìn)行的共晶焊接需要使用助焊劑，會(huì)產(chǎn)生助焊劑污染，需增加清洗工藝，如清洗不徹底將導(dǎo)致電路長(zhǎng)期可靠性指標(biāo)降低。真空共晶已成為大面積芯片、高功率芯片、多芯片高可靠共晶焊接的首選方法。通過(guò)真空共晶爐制造真空環(huán)境，阻止了焊料氧化，減少了焊接空洞；還能實(shí)現(xiàn)多芯片同時(shí)共
曰
曰曰ο目前真空焊接廣泛使用的辦法是首先對(duì)真空共晶爐的工藝腔室內(nèi)抽真空，然后工藝腔室內(nèi)加熱至共晶溫度，保溫一段時(shí)間后通入氮?dú)饫鋮s至常溫。這樣作的缺點(diǎn)是一、 因共晶焊接用的焊料片在生產(chǎn)、儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程已部分氧化，因此在真空共晶焊接時(shí)會(huì)產(chǎn)生氧化渣滓；二、工藝腔室內(nèi)一直處于真空狀態(tài)，其加熱效率很低，焊料處于熔融狀態(tài)的時(shí)間比較長(zhǎng)，容易造成過(guò)焊和加速芯片老化導(dǎo)致失效。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供一種加熱效率高、氧化率低、過(guò)焊率低的一種真空共晶焊接方法。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種真空共晶焊接方法，其特征在于依次包括以下步驟
1)加工一種工裝，該工裝為高純石墨板，在石墨板上銑若干個(gè)方形槽，在方形槽的一組對(duì)邊銑兩個(gè)半圓槽；
2)將石墨工裝清洗后安裝進(jìn)真空共晶爐的工藝腔室內(nèi)；
3)清洗熱沉、預(yù)成型焊料片；
4)依次將熱沉、預(yù)成型焊料片和芯片放入石墨工裝的方形槽內(nèi)；
5)關(guān)閉真空共晶爐工藝腔室的蓋板；6)工藝腔室內(nèi)抽真空、充氮?dú)?，反?fù)多次；
7)真空共晶爐內(nèi)的石英燈管加熱工藝腔室到設(shè)定溫度；
8)向工藝腔室通入流量經(jīng)過(guò)控制的還原劑；
9)待預(yù)成型焊料片上被氧化的部分焊料得到還原后，工藝腔室內(nèi)再次抽真空；
10)工藝腔室內(nèi)繼續(xù)加熱升溫至共晶焊接所需溫度；
11)待工藝腔室內(nèi)溫度達(dá)到共晶溫度后停止充氮?dú)?，保溫一段時(shí)間，同時(shí)抽真空；
12)保溫一段時(shí)間待焊接完成后，向工藝腔室通入大量氮?dú)猓偈骨皇覂?nèi)快速降溫；
13)打開(kāi)工藝腔室蓋板，取出已完成共晶焊接的芯片組件。本發(fā)明的第一優(yōu)選方案是在步驟8中，該還原劑可以是甲酸蒸氣或是氫氣。本發(fā)明的第二優(yōu)選方案是在步驟10中，工藝腔室內(nèi)升溫時(shí)通入一定流量的氮?dú)?。本發(fā)明的技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于克服了現(xiàn)有技術(shù)焊料片表層氧化導(dǎo)致焊接面出現(xiàn)氧化渣滓的問(wèn)題，降低了焊料片的存儲(chǔ)條件要求；縮短了共晶時(shí)間，避免了芯片過(guò)焊和高溫加速老化導(dǎo)致失效以及降低了空洞率。具有可靠性高、成品率高以及成本低的特點(diǎn)。其焊透率達(dá)到99%以上，成品率100%。下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。


圖1為本實(shí)施例焊接示意圖。
具體實(shí)施例方式本實(shí)施例所采用的方法是
1.設(shè)計(jì)加工一種工裝，該工裝選用材料為高純石墨板，在石墨板上銑若干個(gè)方形槽，在方形槽的一組對(duì)邊銑兩個(gè)半圓槽，用于取放熱沉、預(yù)成型焊料片以及芯片；
2.將石墨工裝清洗后安裝進(jìn)真空共晶爐的工藝腔室內(nèi)；
3.清洗熱沉、預(yù)成型焊料片；
4.依次將熱沉、預(yù)成型焊料片和芯片放入石墨工裝的方形槽內(nèi)；
5.關(guān)閉真空共晶爐工藝腔室的蓋板；
6.工藝腔室內(nèi)抽真空、充氮?dú)?、再抽真空，通過(guò)反復(fù)抽真空、充氮?dú)馊コ皇覂?nèi)的氧氣和水汽，純化腔室內(nèi)氣氛；
7.真空共晶爐內(nèi)的石英燈管加熱工藝腔室到設(shè)定溫度；
8.向工藝腔室通入流量經(jīng)過(guò)控制的還原劑，該還原劑可以是甲酸蒸氣或是氫氣；
9.待預(yù)成型焊料片上被氧化的部分焊料得到還原后，工藝腔室內(nèi)再次抽真空，進(jìn)一步純化腔室內(nèi)氣氛；
10.工藝腔室內(nèi)繼續(xù)加熱升溫至共晶焊接所需溫度，加熱的同時(shí)向通入一定流量的氮?dú)?，提高升溫速率?br> 11.待腔室內(nèi)溫度達(dá)到共晶溫度后停止充氮?dú)?，保溫一段時(shí)間，同時(shí)抽真空，避免焊接面產(chǎn)生空洞；
12.保溫一段時(shí)間待焊接完成后，向工藝腔室通入大量氮?dú)?，促使腔室?nèi)快速降溫，避免芯片被長(zhǎng)時(shí)間加熱導(dǎo)致加速老化；
13.打開(kāi)工藝腔室蓋板，取出已完成共晶焊接的芯片組件。參考圖1，單一芯片焊接時(shí)采用的技術(shù)方案是
一.設(shè)計(jì)加工一種工裝1，該工裝選用材料為高純石墨板，在石墨板上銑若干個(gè)方形槽，方形槽的長(zhǎng)、寬、深依據(jù)待焊接芯片組件的規(guī)格設(shè)計(jì)，方形槽呈矩陣排列，在每個(gè)方形槽的一組對(duì)邊銑兩個(gè)半圓，用于取放熱沉、預(yù)成型焊料片以及芯片；
二.使用無(wú)水乙醇清洗石墨工裝，并氮?dú)獯蹈桑磺逑春髮⑹ぱb安裝進(jìn)真空共晶爐的工藝腔室內(nèi)；
三.使用超聲波清洗機(jī)以及等離子清洗機(jī)清洗鎢銅熱沉2、預(yù)成型金錫(Au80%Sn20%) 焊料片3 ；
四.按圖一所示依次將鎢銅熱沉、預(yù)成型金錫焊料片和砷化鎵裸芯片4放入石墨工裝的方形槽內(nèi)。金錫焊料片的成分為Au80%Sn20%，厚度30微米；
五.關(guān)閉真空共晶爐工藝腔室的蓋板；
六.設(shè)置并運(yùn)行焊接參數(shù)，該焊接參數(shù)包括以下幾步
七.工藝腔室內(nèi)先抽真空，去除腔室內(nèi)的氧氣和水氣；
八.向工藝腔室內(nèi)沖入氮?dú)?，石英燈加熱使工藝腔室?nèi)溫度達(dá)到200°C左右；
九.向工藝腔室內(nèi)通入甲酸蒸汽還原焊料片中被氧化的部分焊料，流量大約為3slm/ min,時(shí)間5分鐘；
十.焊料還原后，工藝腔室繼續(xù)快速升溫至300°C左右，焊料融化并與鎢銅上表面金屬化層和砷化鎵背面金屬化層開(kāi)始共晶；
十一.待溫度達(dá)到300°C時(shí)，工藝腔室內(nèi)抽真空，避免焊接面產(chǎn)生空洞； 十二 .保溫30秒后，向工藝腔室通入大量氮?dú)庵敝燎皇覂?nèi)溫度快速降至常溫； 十三.打開(kāi)工藝腔室蓋板，取出已完成共晶焊接的芯片組件。通過(guò)上述方法與步驟所共晶焊接的芯片組件，其焊透率達(dá)到99%以上。本發(fā)明不僅限于上述實(shí)施例所示的保護(hù)范圍，所有基于本實(shí)施例的發(fā)明思想，皆在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種真空共晶焊接方法，其特征在于依次包括以下步驟1)加工一種工裝，該工裝為高純石墨板，在石墨板上銑若干個(gè)方形槽，在方形槽的一組對(duì)邊銑兩個(gè)半圓槽；2)將石墨工裝清洗后安裝進(jìn)真空共晶爐的工藝腔室內(nèi)；3)清洗熱沉、預(yù)成型焊料片；4)依次將熱沉、預(yù)成型焊料片和芯片放入石墨工裝的方形槽內(nèi)；5)關(guān)閉真空共晶爐工藝腔室的蓋板；6)工藝腔室內(nèi)抽真空、充氮?dú)?，反?fù)多次；7)真空共晶爐內(nèi)的石英燈管加熱工藝腔室到設(shè)定溫度；8)向工藝腔室通入流量經(jīng)過(guò)控制的還原劑；9)待預(yù)成型焊料片上被氧化的部分焊料得到還原后，工藝腔室內(nèi)再次抽真空；10)工藝腔室內(nèi)繼續(xù)加熱升溫至共晶焊接所需溫度；11)待工藝腔室內(nèi)溫度達(dá)到共晶溫度后停止充氮?dú)?，保溫一段時(shí)間，同時(shí)抽真空；12)保溫一段時(shí)間待焊接完成后，向工藝腔室通入大量氮?dú)?，促使腔室?nèi)快速降溫；13)打開(kāi)工藝腔室蓋板，取出已完成共晶焊接的芯片組件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種真空共晶焊接方法，其特征在于在步驟8中，該還原劑可以是甲酸蒸氣或是氫氣。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種真空共晶焊接方法，其特征在于在步驟10中，工藝腔室內(nèi)升溫時(shí)通入一定流量的氮?dú)狻?br> 全文摘要
本發(fā)明屬于微電子封裝技術(shù)，具體為一種真空共晶焊接方法。該方法通過(guò)在真空共晶焊接過(guò)程中通入還原氣體甲酸蒸汽或氫氣來(lái)還原預(yù)成型焊料片表層被氧化的部分焊料，減少焊接面的氧化渣滓；在加熱過(guò)程中，通入氮?dú)馓岣呱郎厮俾?，以縮短共晶時(shí)間，避免芯片被過(guò)焊或高溫加速老化導(dǎo)致失效；在共晶時(shí)抽真空，減少甚至避免了焊接面的空洞，提高芯片的焊透率，減小接觸電阻和熱阻。本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)焊料片表層氧化導(dǎo)致焊接面出現(xiàn)氧化渣滓的問(wèn)題，降低了焊料片的存儲(chǔ)條件要求；縮短了共晶時(shí)間，避免了芯片過(guò)焊和高溫加速老化導(dǎo)致失效以及減少了空洞率。具有可靠性高、成品率高以及成本低的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)B23K1/008GK102528194SQ20101058865
公開(kāi)日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2010年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月15日
發(fā)明者劉立安, 徐學(xué)林 申請(qǐng)人:無(wú)錫華測(cè)電子系統(tǒng)有限公司