一种降低金焊料烧结元器件空洞率的烧结工艺

申请号 CN202311603272.6 申请日 2023-11-28 公开(公告)号 CN117766409A 公开(公告)日 2024-03-26
申请人 哈尔滨工业大学重庆研究院; 重庆华创星际科技有限责任公司; 哈尔滨工业大学; 发明人 杨剑群; 龙文莲; 李兴冀;
摘要 本 发明 涉及 半导体 器件封装技术领域,公开了一种降低金 锡 焊料 烧结 元器件空洞率的烧结工艺,步骤包括:取器件管壳、金 锡焊 料片和待用芯片,制备烧结结构;将烧结结构置于 真空 回流炉的腔体内,腔体内 温度 由室温升到T0,升温过程中并抽真空;腔体内温度达到T0后,保持TO不变,进行腔体清洗,过程中间断充入保护性气体;将腔体内温度由T0升至T1,进行腔体预热;保持腔体内温度在T1,并抽真空;将腔体内温度从T1升到T2,并抽真空;保持腔体内温度在T2,并抽真空四,金锡焊料片充分融化,并于待用芯片的背面金属、器件管壳的导电区表面金属完成共晶反应。本发明不但能降低使用金锡焊料烧结元器件时的空洞率,还能提高产品 质量 和可靠性。
权利要求

1.一种降低金焊料烧结元器件空洞率的烧结工艺,其特征在于,包括以下步骤:
S1、取器件管壳、金锡焊料片和待用芯片,制备烧结结构;
S2、将烧结结构置于真空回流炉的腔体内,腔体内温度由室温升到T0,升温过程中并抽真空一,所述T0为50‑70℃;
S3、腔体内温度达到T0后,保持TO不变,进行腔体清洗,过程中间断充入保护性气体;
S4、将腔体内温度由T0升至T1,进行腔体预热,所述T1为200‑250℃;
S5、保持腔体内温度在T1,并抽真空二50‑100s;
S6、将腔体内温度从T1升到T2,并抽真空三,所述T2为300‑350℃;
S7、保持腔体内温度在T2,并抽真空四,金锡焊料片充分融化,并于待用芯片的背面金属、器件管壳的导电区表面金属完成共晶反应,反应时间为40‑100s。
2.根据权利要求1所述的一种降低金锡焊料烧结元器件空洞率的烧结工艺,其特征在于:所述步骤S1中,制备烧结结构步骤包括:
S101、选取器件管壳、金锡焊料片和待用芯片,所述器件管壳为金属陶瓷材料,所述器件管壳的中心设置导电区,所述待用芯片为背金芯片;
S102、取出金锡焊料片,将其按照比待用芯片的外轮廓大的大小进行裁剪,裁剪完毕后将金锡焊料片按压扁平,使得金锡焊料片平整且无卷翘;
S103、取出器件管壳,将裁剪好的金锡焊料片置于器件管壳的导电区,再将待用芯片叠放于金锡焊料片之上,使得金锡焊料片处于器件管壳的导电区正中心,待用芯片处于金锡焊料片的正中心,得到烧结结构。
3.根据权利要求1所述的一种降低金锡焊料烧结元器件空洞率的烧结工艺,其特征在于:所述真空一和真空二的真空度均为2‑10mbar,所述真空三和真空四的真空度均为5‑
10mbar。
4.根据权利要求1所述的一种降低金锡焊料烧结元器件空洞率的烧结工艺,其特征在于:所述步骤S3中,腔体清洗的方法包括:将腔体内温度由室温升至T0,保持腔体内部温度为T0,并在T0温度下进行充第一次保护气30‑40s后抽真空90‑110s,再充第二次保护气30‑
40s后抽真空60‑80s的操作,循环操作1‑2次。
5.根据权利要求1所述的一种降低金锡焊料烧结元器件空洞率的烧结工艺,其特征在于:所述步骤S3的腔体清洗中,充入的第一次保护气和第二次保护气均为氮气,第一次保护气充入时流速为15‑25L/min,第二次保护气充入时流速为5‑10L/min。
6.根据权利要求1所述的一种降低金锡焊料烧结元器件空洞率的烧结工艺,其特征在于:所述步骤S4中,腔体内温度由T0升至T1的升温速率为110‑160℃/min;所述步骤S6中,腔体内温度从T1升到T2的升温速率为30‑60℃/min。
7.根据权利要求1所述的一种降低金锡焊料烧结元器件空洞率的烧结工艺,其特征在于:所述步骤S7中共晶反应完全后,将腔体内温度从T2降到T3进行冷却,所述T3为室温‑70℃,温度从T2降低至T3的降温速率为30‑50℃/min。
8.根据权利要求1所述的一种降低金锡焊料烧结元器件空洞率的烧结工艺,其特征在于:所述金锡焊料片按重量百分比计的化学成分为:Au为80%,Sn为20%。
9.根据权利要求1所述的一种降低金锡焊料烧结元器件空洞率的烧结工艺,其特征在于:所述器件管壳为SMD、QFP、TO254、TO257、SOP、DIP中的一种。
10.根据权利要求2所述的一种降低金锡焊料烧结元器件空洞率的烧结工艺,其特征在于:所述步骤102和103中,器件管壳、金锡焊料片和待用芯片均存储在氮气柜中,在从氮气柜取出器件管壳、金锡焊料片和待用芯片的3h内完成所述烧结工艺。

说明书全文

一种降低金焊料烧结元器件空洞率的烧结工艺

技术领域

[0001] 本发明涉及半导体器件封装技术领域,尤其涉及一种降低金锡焊料烧结元器件空洞率的烧结工艺。

背景技术

[0002] 在电子元器件封装过程中,空洞率是一个非常重要的质量检验项目,不管使用回流焊还是波峰焊,空洞都无法避免。焊料空洞的产生主要是由于焊料中的有机物在高温下裂解,产生的气泡难以逸出,导致气体被包围在合金粉末中,从而形成空洞。焊料片的材料、焊盘表面的化程度、焊料的熔点、焊料的接触面积等因素都会影响空洞的形成。由于空洞会降低产品的封盖强度和气密性,还可能导致多种致命失效模式的诱发。在生产过程中,需要严格控制焊接参数,以确保焊料质量和产品可靠性;因此,如何降低焊接元器件空洞率是电子产品封装过程中的一个重要问题。
[0003] 目前,为了降低焊接元器件空洞率,就只能不断优化烧结工艺,如烧结温度、时间、压等,来有效地降低金锡焊料烧结元器件空洞率,提高产品质量。金锡焊料(Au80Sn20)已经在半导体行业应用多年,具有熔点低、强度高的物理性能,不仅保证焊接可靠性还有良好的导热性能,同时可以在气候多变且条件恶劣的情况下使用,这些特性让它在封装领域得到了广泛应用;但如何降低金锡焊料烧结元器件空洞率确一直是本领域所需要解决的问题。

发明内容

[0004] 有鉴于此,本发明的目的是提供一种降低金锡焊料烧结元器件空洞率的烧结工艺,不但能降低使用金锡焊料烧结元器件时的空洞率,还能提高产品质量和可靠性。
[0005] 本发明通过以下技术手段解决上述技术问题:
[0006] 一种降低金锡焊料烧结元器件空洞率的烧结工艺,包括以下步骤:
[0007] S1、取器件管壳、金锡焊料片和待用芯片,制备烧结结构;
[0008] S2、将烧结结构置于真空回流炉的腔体内,腔体内温度由室温升到T0,升温过程中并抽真空一,所述T0为50‑70℃;
[0009] S3、腔体内温度达到T0后,保持TO不变,进行腔体清洗,过程中间断充入保护性气体;
[0010] S4、将腔体内温度由T0升至T1,进行腔体预热,所述T1为200‑250℃;
[0011] S5、保持腔体内温度在T1,并抽真空二50‑100s;
[0012] S6、将腔体内温度从T1升到T2,并抽真空三,所述T2为300‑350℃;
[0013] S7、保持腔体内温度在T2,并抽真空四,金锡焊料片充分融化,并于待用芯片的背面金属、器件管壳的导电区表面金属完成共晶反应,反应时间为40‑100s。
[0014] 进一步,所述步骤S1中,制备烧结结构步骤包括:
[0015] S101、选取器件管壳、金锡焊料片和待用芯片,所述器件管壳为金属陶瓷材料,所述器件管壳的中心设置导电区;
[0016] S102、取出金锡焊料片,将其按照比待用芯片的外轮廓大的大小进行裁剪,裁剪完毕后将金锡焊料片按压扁平,使得金锡焊料片平整且无卷翘;
[0017] S103、取出器件管壳,将裁剪好的金锡焊料片置于器件管壳的导电区,再将待用芯片叠放于金锡焊料片之上,使得金锡焊料片处于器件管壳的导电区正中心,待用芯片处于金锡焊料片的正中心,得到烧结结构。
[0018] 进一步,所述真空一和真空二的真空度均为2‑10mbar,所述真空三和真空四的真空度均为5‑10mbar。
[0019] 进一步,所述步骤S3中,腔体清洗的方法包括:将腔体内温度由室温升至T0,保持腔体内部温度为T0,并在T0温度下进行充第一次保护气30‑40s后抽真空90‑110s,再充第二次保护气30‑40s后抽真空60‑80s的操作,循环操作1‑2次。
[0020] 进一步,所述步骤S3的腔体清洗中,充入的第一次保护气和第二次保护气均为氮气,第一次保护气充入时流速为15‑25L/min,第二次保护气充入时流速为5‑10L/min。
[0021] 进一步,所述步骤S4中,腔体内温度由T0升至T1的升温速率为110‑160℃/min;所述步骤S6中,腔体内温度从T1升到T2的升温速率为30‑60℃/min。
[0022] 进一步,所述步骤S7中共晶反应完全后,将腔体内温度从T2降到T3进行冷却,所述T3为室温‑70℃,温度从T2降低至T3的降温速率为30‑50℃/min。
[0023] 进一步,所述金锡焊料片按重量百分比计的化学成分为:Au为80%,Sn为20%。
[0024] 进一步,所述器件管壳为SMD、QFP、TO254、TO257、SOP、DIP中的一种。
[0025] 进一步,所述步骤102和103中,器件管壳、金锡焊料片和待用芯片均存储在氮气柜中,在从氮气柜取出器件管壳、金锡焊料片和待用芯片的3h内完成所述烧结工艺。
[0026] 本发明的有益效果:
[0027] 1、本发明的降低金锡焊料烧结元器件空洞率的烧结工艺通过控制烧结过程的温度、真空度和时间,实现在金锡焊料融化之前,真空回流炉腔体内的氧含量达到最低,在达到金锡焊料的熔点280℃左右时并抽真空,焊料融化,气泡得以排出,达到空洞率降低的目的。
[0028] 2、本发明的降低金锡焊料烧结元器件空洞率的烧结工艺装配过程简单,可作用于多种器件种类,整个工艺操作不仅简单便捷,而且操作时间更短,可控制在一小时以内完成,提高了生产效率,成品空洞率也更为稳定。附图说明
[0029] 图1是本发明实施例中的烧结结构示意图;
[0030] 图2是本发明实施例中的烧结结构俯视图;
[0031] 图3是本发明一种降低金锡焊料烧结元器件空洞率的烧结工艺的流程图
[0032] 图4是本发明实例1产品经过X‑Ray无损探测仪测得的空洞率图;
[0033] 图5是本发明实例2产品经过X‑Ray无损探测仪测得的空洞率图;
[0034] 图6是本发明实施例1的真空回流炉腔体温度变化曲线与气体变化图;
[0035] 图中:1、管壳,2、导电区,3、金锡焊料片,4、芯片。

具体实施方式

[0036] 以下将结合附图对本发明进行详细说明:
[0037] 实例例1、
[0038] 本实例的一种降低金锡焊料烧结元器件空洞率的烧结工艺选用的背金芯片,规格2
为2.5×2.5mm;
[0039] 取出金锡焊料片,按重量百分比计的化学成分为Au80%、Sn20%,将其裁剪为3×2
3mm的规格,即比选用芯片大一圈的大小,使用扁平工具将其按压至扁平,过程中保证金锡焊料片平整,四周无卷翘;
[0040] 选用SMD‑0.3管壳,取出管壳,管壳的中心设置有导电区,导电区表面镍与金;
[0041] 相关材料均储存于氮气柜中,使用时才取出;
[0042] 装配:如图1与图2所示,使用真空吸笔将裁剪好的金锡焊料片置于管壳导电区,再将芯片叠放于金锡焊料片之上,保证金锡焊料片处于导电区正中心,芯片处于金锡焊料片正中心,得到烧结结构;
[0043] 预热:将烧结结构置于真空回流炉腔体内,腔体内温度由室温升到T0,过程中并抽真空,所述T0为60℃,真空度为5mbar;
[0044] 清洗:腔内温度达到T0后,保持TO不变,进行腔体清洗,即过程中充保护气30s抽真空90s,再充保护气30s后抽真空60s,操作1次,保护性气体为氮气,第一次充入时流速为15L/min,第二次充入时流速为5L/min;
[0045] 第一次加热:随后将腔体内温度由T0升到T1进行腔体快速加热,所述T1为230℃,升温速率为127℃/min;
[0046] 保温:保持腔体内温度在T1,并抽真空90s,真空度为5mbar;
[0047] 第二次加热:将腔体内温度从T1缓慢升到T2,并抽真空,所述T2为315℃,真空度为10mbar,升温速率为30℃/min;
[0048] 反应:保持腔体内温度在T2,并抽真空,真空度为7mbar,金锡焊料片充分融化,并于芯片背面金属、管壳导电区表面金属完成共晶反应,反应时间为60s。
[0049] 冷却:共晶反应完全后,将腔体内温度从T2降到T3进行冷却,所述T3为60℃,温度从T2降低至T3的降温速率为34℃/min。
[0050] 如图4所示,将冷却后的成品取出,通过X‑Ray无损探测仪进行X光照射,得到成品穿透图,确定其空洞率为1.33%。整个烧结工艺操作简单,流畅进行时间可控制在一小时以内完成,操作时间更短,效率更高,成品空洞率也较为稳定,真空回流炉腔体温度变化曲线气体变化图如图6所示。
[0051] 实例例2、
[0052] 本实例的一种降低金锡焊料烧结元器件空洞率的烧结工艺选用的背金芯片,规格2
为2×2.5mm;
[0053] 取出金锡焊料片,按重量百分比计的化学成分为Au80%、Sn20%,将其裁剪为2.52
×3mm的规格,即比选用芯片大一圈的大小,使用扁平工具将其按压至扁平,过程中保证金锡焊料片平整,四周无卷翘;
[0054] 选用TO254管壳,取出管壳,管壳的中心设置有导电区,导电区表面镀镍与金;
[0055] 相关材料均储存于氮气柜中,使用时才取出;
[0056] 装配:如图1与图2所示,使用真空吸笔将裁剪好的金锡焊料片置于管壳导电区,再将芯片叠放于金锡焊料片之上,保证金锡焊料片处于导电区正中心,芯片处于金锡焊料片正中心,得到烧结结构;
[0057] 预热:将烧结结构置于真空回流炉腔体内,腔体内温度由室温升到T0,过程中并抽真空,所述T0为70℃,真空度为4mbar;
[0058] 清洗:腔内温度达到T0后,保持TO不变,进行腔体清洗,即过程中充保护气40s抽真空100s,再充保护气40s后抽真空80s,操作1次,保护性气体为氮气,第一次充入时流速为20L/min,第二次充入时流速为7L/min;
[0059] 第一次加热:随后将腔体内温度由T0升到T1进行腔体快速加热,所述T1为240℃,升温速率为150℃/min;
[0060] 保温:保持腔体内温度在T1,并抽真空100s,真空度为7mbar;
[0061] 第二次加热:将腔体内温度从T1缓慢升到T2,并抽真空,所述T2为330℃,真空度为7mbar,升温速率为40℃/min;
[0062] 反应:保持腔体内温度在T2,并抽真空,真空度为8mbar,金锡焊料片充分融化,并于芯片背面金属、管壳导电区表面金属完成共晶反应,反应时间为50s。
[0063] 冷却:共晶反应完全后,将腔体内温度从T2降到T3进行冷却,所述T3为25℃,温度从T2降低至T3的降温速率为40℃/min。
[0064] 如图5所示,将冷却后的成品取出,通过X‑Ray无损探测仪进行X光照射,得到成品穿透图,确定其空洞率为1.30%。整个烧结工艺操作简单,流畅进行时间可控制在一小时以内完成,操作时间更短,效率更高,成品空洞率也较为稳定。
[0065] 实施例3、
[0066] 本实例的一种降低金锡焊料烧结元器件空洞率的烧结工艺选用的待用芯片为背2
金芯片,其规格为2.5×2.5mm;具体的烧结工艺如下:
[0067] 取出金锡焊料片,按重量百分比计的化学成分为Au80%、Sn20%,将其裁剪为3×2
3mm的规格,即比选用芯片大一圈的大小,使用扁平工具将其按压至扁平,过程中保证金锡焊料片平整,四周无卷翘;
[0068] 选用QFP管壳,取出管壳,管壳的中心设置有导电区,导电区表面镀镍与金;
[0069] 管壳、金锡焊料片和待用芯片均储存于氮气柜中,使用时才取出;
[0070] 装配:如图1与图2所示,使用真空吸笔将裁剪好的金锡焊料片置于管壳导电区,再将芯片叠放于金锡焊料片之上,保证金锡焊料片处于导电区正中心,芯片处于金锡焊料片正中心,得到烧结结构;
[0071] 预热:将烧结结构置于真空回流炉腔体内,腔体内温度由室温升到T0,过程中并抽真空,所述T0为50℃,真空度为2mbar;
[0072] 清洗:腔内温度达到T0后,保持TO不变,进行腔体清洗,即过程中第一次充氮气30s抽真空90s,再第二次充氮气30s后抽真空60s,操作1次,第一次充入时流速为15L/min,第二次充入时流速为5L/min;
[0073] 第一次加热:随后将腔体内温度由T0升到T1进行腔体快速加热,所述T1为200℃,升温速率为110℃/min;
[0074] 保温:保持腔体内温度在T1,并抽真空50s,真空度为2mbar;
[0075] 第二次加热:将腔体内温度从T1缓慢升到T2,并抽真空,所述T2为300℃,真空度为5mbar,升温速率为30℃/min;
[0076] 反应:保持腔体内温度在T2,并抽真空,真空度为5mbar,金锡焊料片充分融化,并于芯片背面金属、管壳导电区表面金属完成共晶反应,反应时间为40s。
[0077] 冷却:共晶反应完全后,将腔体内温度从T2降到T3进行冷却,所述T3为室温,温度从T2降低至T3的降温速率为30℃/min。
[0078] 将冷却后的成品取出,通过X‑Ray无损探测仪进行X光照射,得到成品穿透图,确定其空洞率为1.32%。
[0079] 实施例4、
[0080] 本实例的一种降低金锡焊料烧结元器件空洞率的烧结工艺选用的待用芯片为背2
金芯片,其规格为2.5×2.5mm;具体的烧结工艺如下:
[0081] 取出金锡焊料片,按重量百分比计的化学成分为Au80%、Sn20%,将其裁剪为3×2
3mm的规格,即比选用芯片大一圈的大小,使用扁平工具将其按压至扁平,过程中保证金锡焊料片平整,四周无卷翘;
[0082] 选用SOP管壳,取出管壳,管壳的中心设置有导电区,导电区表面镀镍与金;
[0083] 管壳、金锡焊料片和待用芯片均储存于氮气柜中,使用时才取出;
[0084] 装配:如图1与图2所示,使用真空吸笔将裁剪好的金锡焊料片置于管壳导电区,再将芯片叠放于金锡焊料片之上,保证金锡焊料片处于导电区正中心,芯片处于金锡焊料片正中心,得到烧结结构;
[0085] 预热:将烧结结构置于真空回流炉腔体内,腔体内温度由室温升到T0,过程中并抽真空,所述T0为60℃,真空度为6mbar;
[0086] 清洗:腔内温度达到T0后,保持TO不变,进行腔体清洗,即过程中第一次充氮气35s抽真空100s,再第二次充氮气35s后抽真空70s,操作1次,第一次充入时流速为20L/min,第二次充入时流速为7.5L/min;
[0087] 第一次加热:随后将腔体内温度由T0升到T1进行腔体快速加热,所述T1为225℃,升温速率为135℃/min;
[0088] 保温:保持腔体内温度在T1,并抽真空75s,真空度为6mbar;
[0089] 第二次加热:将腔体内温度从T1缓慢升到T2,并抽真空,所述T2为325℃,真空度为705mbar,升温速率为45℃/min;
[0090] 反应:保持腔体内温度在T2,并抽真空,真空度为7.5mbar,金锡焊料片充分融化,并于芯片背面金属、管壳导电区表面金属完成共晶反应,反应时间为70s。
[0091] 冷却:共晶反应完全后,将腔体内温度从T2降到T3进行冷却,所述T3为50℃,温度从T2降低至T3的降温速率为40℃/min。
[0092] 将冷却后的成品取出,通过X‑Ray无损探测仪进行X光照射,得到成品穿透图,确定其空洞率为1.26%。
[0093] 实施例5、
[0094] 本实例的一种降低金锡焊料烧结元器件空洞率的烧结工艺选用的待用芯片为背2
金芯片,其规格为2.5×2.5mm;具体的烧结工艺如下:
[0095] 取出金锡焊料片,按重量百分比计的化学成分为Au80%、Sn20%,将其裁剪为3×2
3mm的规格,即比选用芯片大一圈的大小,使用扁平工具将其按压至扁平,过程中保证金锡焊料片平整,四周无卷翘;
[0096] 选用DIP管壳,取出管壳,管壳的中心设置有导电区,导电区表面镀镍与金;
[0097] 管壳、金锡焊料片和待用芯片均储存于氮气柜中,使用时才取出;
[0098] 装配:如图1与图2所示,使用真空吸笔将裁剪好的金锡焊料片置于管壳导电区,再将芯片叠放于金锡焊料片之上,保证金锡焊料片处于导电区正中心,芯片处于金锡焊料片正中心,得到烧结结构;
[0099] 预热:将烧结结构置于真空回流炉腔体内,腔体内温度由室温升到T0,过程中并抽真空,所述T0为70℃,真空度为10mbar;
[0100] 清洗:腔内温度达到T0后,保持TO不变,进行腔体清洗,即过程中第一次充氮气40s抽真空110s,再第二次充氮气40s后抽真空80s,操作1次,第一次充入时流速为25L/min,第二次充入时流速为10L/min;
[0101] 第一次加热:随后将腔体内温度由T0升到T1进行腔体快速加热,所述T1为250℃,升温速率为160℃/min;
[0102] 保温:保持腔体内温度在T1,并抽真空100s,真空度为10mbar;
[0103] 第二次加热:将腔体内温度从T1缓慢升到T2,并抽真空,所述T2为350℃,真空度为10mbar,升温速率为60℃/min;
[0104] 反应:保持腔体内温度在T2,并抽真空,真空度为10mbar,金锡焊料片充分融化,并于芯片背面金属、管壳导电区表面金属完成共晶反应,反应时间为100s。
[0105] 冷却:共晶反应完全后,将腔体内温度从T2降到T3进行冷却,所述T3为70℃,温度从T2降低至T3的降温速率为50℃/min。
[0106] 将冷却后的成品取出,通过X‑Ray无损探测仪进行X光照射,得到成品穿透图,确定其空洞率为1.27%。
[0107] 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。
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