專利名稱：半導(dǎo)體芯片與襯底的焊接的制作方法
發(fā)明的領(lǐng)域本發(fā)明一般涉及到一種方法以及用半導(dǎo)體芯片與襯底的所述焊接方法生產(chǎn)的器件，更確切地說(shuō)是涉及到將所述半導(dǎo)體芯片焊接到射頻功率晶體管中的封殼的方法。
發(fā)明的背景目前，芯片是采用易熔金-硅的焊接工藝被安裝在射頻功率晶體管和射頻功率模塊中的。所用的封殼常常是被鎳和比較厚的金層(2-5μm)合金化的。待要安置在封殼中的芯片(晶體管、電阻器和電容器)的底部表面上提供有非常薄的金。此金層的作用是防止芯片底部表面被氧化。當(dāng)使用金-硅時(shí)，封殼被加熱到溫度為400-450℃，然后將芯片分別置于封殼上，并來(lái)回摩擦，直至在芯片中的硅與封殼上的金之間形成合金。要確定何時(shí)開(kāi)始形成合金是不可能的。因此，工藝中的這一步驟通常是手工進(jìn)行的，以便操作人員能夠觀察何時(shí)形成了合金以及何時(shí)達(dá)到了有效的焊接。
雖然在這一焊接工藝中，封殼(芯片下方)上的全部金被消耗了，但芯片中仍然剩余了大量的硅。這些剩余的硅能夠遷移進(jìn)入熔融的AuSi合金中，并以硅晶體的形式沉淀出來(lái)。在提高了的溫度下以及用力機(jī)械摩擦?xí)r，這一過(guò)程被加速。因此，由于過(guò)量的硅晶體會(huì)集中在熔融的Au-Si合金中，故不適合于或不可能用機(jī)械方式或用超聲來(lái)實(shí)現(xiàn)這一摩擦過(guò)程。熔融合金中過(guò)量硅晶體的缺點(diǎn)是熔體獲得了粘滯稠度，從而不向外流動(dòng)和有效地潤(rùn)濕表面。
這些硅晶體將有效地包封可能已經(jīng)形成在芯片與封殼之間的任何氣泡。這種氣泡極大地降低了芯片與封殼之間的熱導(dǎo)率。由封殼上的金和芯片中的硅形成的AuSi合金結(jié)的總厚度絕對(duì)不能大于金厚度的大約50％。這樣，當(dāng)金的厚度約為4μm時(shí)，結(jié)的厚度將僅僅為大約6μm。這就對(duì)封殼的表面平整度即光滑性有高的要求，因?yàn)榉駝t的話，芯片與封殼之間就可能出現(xiàn)焊料不足。
通常都知道，能夠以預(yù)制的方式在芯片與封殼之間涂敷額外的AuSi焊料。由于這種預(yù)制的尺寸小，故要做到這一點(diǎn)常常是非常困難而昂貴的。要加工材料厚度小于大約25μm的預(yù)制件，實(shí)際上是不可能的。然而，這種厚度的結(jié)會(huì)使芯片與封殼之間的熱阻提高到不可接受的程度。
發(fā)明的概述半導(dǎo)體與襯底例如射頻功率晶體管中的封殼的已知焊接技術(shù)的一個(gè)問(wèn)題是，焊接過(guò)程在各個(gè)芯片本身的焊接中要求手工加工步驟。
已知技術(shù)的另一問(wèn)題是，硅晶體的形成阻礙了焊料的流動(dòng)，從而導(dǎo)致氣泡被夾裹。這些氣泡易于阻礙熱從芯片傳輸出去。
已知技術(shù)的又一問(wèn)題是，SiAu的高的凝固溫度導(dǎo)致芯片與封殼之間高的機(jī)械應(yīng)力，從而對(duì)芯片的尺寸設(shè)置了上限。若超過(guò)這一限度，芯片將會(huì)破裂。
已知技術(shù)的再一問(wèn)題是，為了防止機(jī)械應(yīng)力使芯片破裂，必須代之以安裝幾個(gè)小的芯片，從而增加了這方面的成本。
已知技術(shù)的另一問(wèn)題是，安裝芯片時(shí)的高的工作溫度(400-450℃)意味著原子能夠從金層下方的鎳層向上擴(kuò)散穿過(guò)所述金并被氧化，從而引起鍵合和焊接問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題必須用特殊的鍍鎳技術(shù)和表面上的厚金層來(lái)抵消，而對(duì)于AuSi焊接目的來(lái)講，實(shí)際上不需要厚的金屬。
已知技術(shù)的另一問(wèn)題是，芯片安裝過(guò)程招致的高的工作溫度，意味著實(shí)際封殼的各個(gè)零件必須在790℃下與熔點(diǎn)更高的硬焊料即含銅高的焊料例如AgCu結(jié)合在一起。由于適合于本文的那些金屬和陶瓷不具有彼此相同的熱膨脹系數(shù)，故金屬與陶瓷在這樣高的溫度下結(jié)合，在結(jié)冷卻之后會(huì)引起高的機(jī)械應(yīng)力。這就限制了封殼的設(shè)計(jì)。例如，不可能在封殼中采用最佳的金屬銅和陶瓷AlN，因?yàn)檫@些材料的膨脹系數(shù)彼此差異太大了。
已知技術(shù)的另一問(wèn)題是，形成的比較薄的焊料連結(jié)對(duì)封殼的表面平整度有很高的要求，因?yàn)榉駝t的話會(huì)出現(xiàn)焊料不足，導(dǎo)致不是所有的芯片被有效地焊接。這極大地降低了芯片與封殼之間的熱導(dǎo)率。
本發(fā)明借助于提供一種將半導(dǎo)體芯片焊接到諸如射頻功率晶體管中的封殼之類的襯底的方法，來(lái)處置這些問(wèn)題。半導(dǎo)體芯片首先被提供有由第一材料組合物組成的粘合層。然后在此粘合層上排列由第二材料組合物組成的可焊接層。再在可焊接層上排列由第三材料組合物組成的抗氧化層。由金-錫合金組成的焊料層然后被涂敷在抗氧化層上。芯片經(jīng)由所述金-錫焊料被置于可焊接的封殼表面上。封殼和芯片被暴露于加有還原氣體的惰性氣氛，在將焊料中的金-錫合金加熱到其熔點(diǎn)以上的溫度的過(guò)程中，使封殼和芯片處于明顯低于大氣壓的壓力。在金-錫焊料處于熔融狀態(tài)的情況下，提高氣壓，并在超過(guò)預(yù)定氣壓時(shí)降低溫度，使金-錫合金固化。
根據(jù)本發(fā)明方法的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案，第一材料組合物是鈦-鎢組合物(TiW)，第二材料組合物是鎳(Ni)，而第三材料組合物是金(Au)。
在本發(fā)明方法的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，第一材料組合物是鈦(Ti)，第二材料組合物是鉑(Pt)，而第三材料組合物是金(Au)。
根據(jù)本發(fā)明方法的另一優(yōu)選實(shí)施方案，金-錫焊料組合物被來(lái)自封殼的金補(bǔ)償，致使最終的合金組合物盡可能靠近共晶熔點(diǎn)。
在本發(fā)明方法的另一優(yōu)選實(shí)施方案中，焊料中的金-錫合金為由75％的金和25％的錫組成的組合物，而在其上欲焊接芯片的封殼包含3-4μm厚的金層。
根據(jù)本發(fā)明方法的再一優(yōu)選實(shí)施方案，還原氣體是氣態(tài)甲酸。
在根據(jù)本發(fā)明的射頻功率晶體管的一個(gè)實(shí)施方案中，晶體管包括至少一個(gè)射頻功率半導(dǎo)體芯片和封殼。半導(dǎo)體芯片配備有由第一材料組合物組成的粘合層、排列在所述粘合層上的由第二材料組合物組成的可焊接層、以及排列在所述可焊接層上的由第三材料組合物組成的抗氧化層。芯片經(jīng)由含有其合金組合物靠近共晶熔點(diǎn)的金-錫合金的焊料，被排列在可焊接封殼表面上。
本發(fā)明的目的是為了能夠在半導(dǎo)體芯片與諸如射頻晶體管中的封殼之類的襯底之間獲得無(wú)氣孔的焊料連結(jié)，例如，在連結(jié)處希望有低的焊料凝固溫度，它使氮化鋁能夠被用作某些類型封殼中的陶瓷絕緣體來(lái)代替劇毒的氧化鋇。
本發(fā)明提供的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，從定位芯片的步驟到將芯片牢固地焊接于封殼的步驟的整個(gè)過(guò)程能夠自動(dòng)化。
本發(fā)明提供的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，能夠精確地確定焊料連結(jié)的厚度，以適應(yīng)封殼的曲度并盡可能減小焊料連結(jié)的熱阻。
本發(fā)明提供的再一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，焊料連結(jié)中的金-錫合金的熱導(dǎo)率是金-硅合金組成的焊料連結(jié)的熱導(dǎo)率的大約2倍。
本發(fā)明提供的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，比較低的焊接溫度使鎳通過(guò)金擴(kuò)散的危險(xiǎn)降低到了最小。因此，封殼上的金的厚度能夠從3-5μm減小到金屬絲鍵合所需的0.5-1μm。除了降低成本之外，這一較薄的金涂層還大幅度地降低了由金對(duì)錫-鉛焊料的沾污所造成的封殼與印刷電路板之間焊料連結(jié)不良的危險(xiǎn)。還可以在待要焊接到印刷電路板上的連接片零件上，選擇性地鍍敷非常薄的金層。
本發(fā)明提供的再一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，金-錫焊接過(guò)程是一種批量處理，這使得能夠同時(shí)加工大量封殼。對(duì)于能夠以陣列的形式處理的那種封殼，由于制造成本被大幅度降低，這是特別有利的。
本發(fā)明提供的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，使用由金-錫合金組成的焊料的焊接過(guò)程，在僅僅約為300℃的溫度下進(jìn)行，從而能夠根本改變制造實(shí)際封殼的方法。目前封殼零件在790℃下的硬焊接即含銅多的焊接能夠代之以溫度低得多的焊接工藝，例如在380℃下用含有金-硅合金的焊料來(lái)焊接。后一工藝導(dǎo)致在封殼中的陶瓷與金屬之間小得多的熱力學(xué)應(yīng)力，從而能夠使用諸如銅和氮化鋁之類的熱匹配性質(zhì)更差的材料，例如來(lái)獲得諸如改進(jìn)了的熱導(dǎo)率和無(wú)毒性的好處。
下面將參照其示例性優(yōu)選實(shí)施方案和附圖
來(lái)更詳細(xì)地描述本發(fā)明。
優(yōu)選實(shí)施方案的詳細(xì)描述金-錫焊接需要在襯底和半導(dǎo)體芯片二者上有可焊接的表面。對(duì)于半導(dǎo)體芯片來(lái)說(shuō)，借助于用可能是例如硅的半導(dǎo)體上的粘合層的方式來(lái)涂敷已經(jīng)在其它情況下被最終加工過(guò)的半導(dǎo)體芯片而達(dá)到了這一要求?？珊附訉颖恢糜谡澈蠈由?，并在所述可焊接層上排列抗氧化層。此粘合層可以例如包含TiW(鈦-鎢)，同時(shí)，可焊接層可以包含Ni(鎳)，而抗氧化層可以包含Au(金)。粘合層也可以由純鈦組成，在這種情況下，可焊接層可以由鉑組成，而抗氧化層可以由金組成。
粘合層的厚度可以在1000-1500的范圍，而可焊接層的厚度可以在1000-1500的范圍，抗氧化層的厚度可以在5000-10000的范圍。厚的金-錫焊料合金被涂敷到抗氧化層或與涂敷所述抗氧化層同時(shí)進(jìn)行。這確保了每個(gè)芯片都有金屬焊料，從而無(wú)須處理焊料預(yù)制件。
可以以很多不同的方式來(lái)涂敷金-錫焊料，例如借助于選擇性鍍敷、利用模板印刷或絲網(wǎng)印刷方法以焊料膠的形式淀積。焊料最好被濺射或鍍敷在半導(dǎo)體芯片的背面上，或者，可以借助于將非常薄的金錫箔融化，或借助于熱壓焊鍵合，將所述箔固定到所述半導(dǎo)體芯片的背面。
由于其中待要放置一個(gè)或多個(gè)芯片的封殼不絕對(duì)平坦，故所使用的焊料量必需合適，以便確保芯片與封殼之間的空間總是充滿金-錫焊料。在例如芯片長(zhǎng)度為5mm的情況下以及在5‰封殼的情況下，要求10μm的金-錫厚度。
金涂層總是在安裝芯片的封殼上。如果焊料原先有準(zhǔn)確地處于共晶熔點(diǎn)的合金組合物，則此金將與金-錫焊料形成合金，從而提高熔點(diǎn)。為了避免這一點(diǎn)，用考慮了來(lái)自封殼的金而確定其組分的金-錫合金來(lái)涂敷芯片。例如，適當(dāng)?shù)慕M合物可以是含有3-4μm金的封殼上的75％的金和25％的錫。這就得到非?？拷簿埸c(diǎn)280℃的最終組合物。
當(dāng)把芯片焊接到封殼上時(shí)，在焊料連結(jié)處常常形成氣泡。由于這種氣泡的出現(xiàn)受到焊料如何潤(rùn)濕二個(gè)焊接表面的控制，故不可能防止這種氣泡的形成。這些氣泡對(duì)諸如射頻功率晶體管之類的大功率元件中的焊料連結(jié)非常有害，因?yàn)樗鼈円鹪^(guò)熱。借助于在盡可能最低例如1-10乇的氣體壓力下進(jìn)行焊接，可以使這一問(wèn)題減至最小。當(dāng)焊接完成時(shí)，在冷卻元件之前，提高焊料連結(jié)上的環(huán)境壓力，例如提高到正常大氣壓，使焊料凝固。在焊料熔化過(guò)程中已經(jīng)形成的任何氣泡將因此而被壓縮，從而變成實(shí)際上無(wú)害。這種氣泡的體積將相對(duì)于壓力差而被減小，而在上述壓力差的情況下，氣泡的體積將被減小大約100倍。
所述的金-錫合金容易被氧化，且氧化物(氧化錫)妨礙焊料的滿意潤(rùn)濕和流動(dòng)。由于常規(guī)焊藥在所考慮的焊接溫度(300-350℃)下導(dǎo)致不容易溶解的分解產(chǎn)物，故在焊接操作中使用常規(guī)焊藥是不適當(dāng)?shù)摹６?，要清洗掉焊藥殘留物是非常困難、不實(shí)際又昂貴的。因此，在焊接工藝中可以使用氣態(tài)焊藥。在目前的情況下，使用了少量的加入了惰性氣體的甲酸蒸汽。所用的惰性氣體可以是例如氮?dú)?。氮?dú)庠诒惠斔偷竭M(jìn)行焊接的工作室之前，可以通過(guò)含有甲酸的容器。氮?dú)庥谑菍⒓姿岱肿訑y帶進(jìn)入工作室。甲酸蒸汽使錫的氧化物還原以提供金屬態(tài)錫以及其它氣態(tài)產(chǎn)物。這就無(wú)須在所述焊接操作之后對(duì)元件進(jìn)行清洗。
可以理解的是，本發(fā)明不局限于其上述的示例性實(shí)施方案，而是可以在下列權(quán)利要求的范圍內(nèi)作出修正。
權(quán)利要求
1.一種將半導(dǎo)體芯片焊接到襯底例如射頻功率晶體管中的封殼的方法，其特征是用由第一材料組合物組成的粘合層涂敷半導(dǎo)體芯片；用由第二材料組合物組成的可焊接層覆蓋粘合層；用由第三材料組合物組成的抗氧化層覆蓋所述可焊接層；用金-錫焊料層覆蓋抗氧化層；將芯片經(jīng)由所述金-錫焊料置于封殼的可焊接表面上；將封殼和芯片暴露于其中引進(jìn)了還原氣體的惰性環(huán)境，并使所述封殼和芯片處于明顯低于大氣壓的壓力，同時(shí)將金-錫合金加熱到高于其熔點(diǎn)溫度的溫度；在金-錫焊料被熔化的情況下，提高氣體壓力；以及當(dāng)超過(guò)預(yù)定氣體壓力時(shí)，降低溫度，使金-錫焊料凝固。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征是第一材料組合物是鈦-鎢(TiW)，第二材料組合物是鎳(Ni)，而第三材料組合物是金(Au)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征是第一材料組合物是鈦(Ti)，第二材料組合物是鉑(Pt)，而第三材料組合物是金(Au)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征是金-錫焊料的組分適應(yīng)于來(lái)自封殼的金的補(bǔ)償，致使得到具有共晶熔點(diǎn)或靠近所述共晶熔點(diǎn)的最終合金組合物。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其特征是當(dāng)封殼包括厚度為3-4μm的金層時(shí)，金-錫焊料包含75％的金和25％的錫。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征是還原氣體是氣態(tài)甲酸。
7.一種射頻功率晶體管，它包括至少一個(gè)射頻功率半導(dǎo)體芯片和封殼，其特征是半導(dǎo)體芯片包括由第一材料組合物組成的粘合層、提供在所述粘合層上的由第二材料組合物組成的可焊接層、提供在所述可焊接層上的由第三材料組合物組成的抗氧化層，其中的芯片經(jīng)由其合金組合物具有共晶熔點(diǎn)或靠近共晶熔點(diǎn)的金-錫焊料，被排列在可焊接封殼表面上。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的射頻功率晶體管，其特征是第一材料組合物是鈦-鎢(TiW)，第二材料組合物是鎳(Ni)，而第三材料組合物是金(Au)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的射頻功率晶體管，其特征是第一材料組合物是鈦(Ti)，第二材料組合物是鉑(Pt)，而第三材料組合物是金(Au)。
全文摘要
本發(fā)明涉及到一種將半導(dǎo)體芯片焊接到諸如射頻功率晶體管中的封殼之類的襯底的方法。半導(dǎo)體芯片被提供有由第一材料組合物組成的粘合層。由第二材料組合物組成的可焊接層被排列在此粘合層上。由第三材料組合物組成的抗氧化層被排列在可焊接層上。用金－錫焊料層涂敷抗氧化層。芯片經(jīng)由金－錫焊料被置于可焊接的封殼表面上。封殼和芯片被暴露于引進(jìn)了還原氣體的惰性氣氛,在金－錫焊料被加熱到其熔點(diǎn)以上的溫度的情況下,使封殼和芯片處于明顯低于大氣壓的壓力。在金－錫焊料被熔化的情況下,提高氣壓,并在超過(guò)預(yù)定氣壓時(shí)降低溫度,使金－錫焊料凝固。
文檔編號(hào)H01L25/00GK1321409SQ9981170
公開(kāi)日2001年11月7日 申請(qǐng)日期1999年9月23日 優(yōu)先權(quán)日1998年10月2日
發(fā)明者L·A·奧洛夫松 申請(qǐng)人:艾利森電話股份有限公司