功率芯片低空洞率真空共晶焊接工艺研究

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1、万方数据D0l：10．3969／j．issn．1001—8972．2013．08．∞6功率芯片低空洞率真空共晶焊接工艺研究贾耀平中国西南电子技术研究所，四川成都610056StudiesofLOwVoidageVac叫mEutecticWeIdingProcessofthePowerChipJiaYaopingSOUthwestChinalnstitute0fElectronicTechnology，Chengdu610056，China摘要在功率混合电路中，对功率芯片的组装要求热阻小和可靠性高。在这方面传统的芯片组装方法如导电银浆粘接不能满足要求。本文介绍了一种新的功率芯片

2、组装工艺一一真空共晶焊接工艺，文章选用Au80sn20焊料对毫米波Ga^s功率芯片的焊接工艺进行了较为系统深入的研究，对焊接时气体保护、焊片大小、焊接压力、真空工艺过程的施加和夹具设计等因素进行了试验分析，并实现较高的焊接质量，x射线检测结果表明，GaAs功率芯片焊接具有较低的空洞率，焊透率高达90％以上。关键词功率芯片；共晶焊接；低空洞率；真空AbstractTraditionalassemblyDrOcesssuchassilveradhesiveattachmentcan’tmeetreouirementsoflowtherma

3、resistancea『ldhighre

4、liabmtyinpOwerhybridcircuit．AnewassemblyprOcessnamedvacuumeutecticweldingfOrpOwerchipjspre3ented，-nthispaper，theeutecticweldingtechnologyofmjJJimeter—waveGa^spowePch晒wasinvestigateddeeplywithAu80Sn20．TheDrOcessparamterssuchasnItrogenat丌108phere。s0Idersize，pressure，vacuumtechn0109yandclampde

5、signwereexperimated，finallyweachieve900dweldlng．×一ray陀Sultindiciatest『latGaAspowerchIpweldl唱haslowVoidageIessthan1O％．Keyw融powerchip；eutecticweldlng；Iowvoidage；vacuum目前将半导体裸芯片装配到载体上(如管壳等)的实现方法主要有导电胶粘接和共晶焊接两种。导电胶粘接具有工艺简单、速度快、成本低、可修复、低温粘接、对管芯背面金属化无特殊要求等优点，但在微波频率高端，毫米波或微波／毫米波大功率时，由于导电胶粘接的电阻率大，导

6、热系数大，造成微波损耗大、结温高，其功率性能、寿命及可靠性等方面将受到影响⋯。由表l可以看出，共晶焊接的热性能、电性能及机械性能大大优于导电胶粘接。因此在频率较高、功率较大、可靠性要求较高情况下，应当采用共晶焊接工艺进行芯片装配。表1粘结和共晶焊接材料电、热，机械性能比较阽片材抖热导串／(w／mK)电阻宰／×101Q·Ⅷ剪切爱度／MPa导电腔猢lO耻5006．B—mAL蚂n25l359185Au，Si2”7Zj116Pbsn5014528．5毫米波电路通常频率较高(几十GHz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

7、分的大功率MMIC芯片的基体材料GaAs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，选用合金焊料焊接较为合适。对电阻要求高的二极管，晶体管以及任何无钝化、对污染十分敏感的器件都应使用金锡共晶焊片。1夹具设计目前广泛使用的毫米波功率芯片(裸芯片)一般为GaAs基材，尺寸较小，重量较轻，焊接时很容易出现焊料的表面张力将芯片“浮起”，焊料向芯片中间收缩，使芯片的四周不能充分润湿。因此必须对裸芯片施加一定的压力，但是直接接触裸芯片表面将造成芯片表面“空气桥”电路的损坏，所以必须设计出专用夹具，解决微波芯片空气桥避让问题同时提供

8、芯片足够的焊接压力，以打破焊料熔融时的张力作用。此外。在进行多芯片组件共晶时，由于芯片的尺寸越来越小，数量越来越多，就必须采用特制的夹具来完成。夹具设计的关键在于如何解决微波芯片空气桥避让问题同时提供芯片足够的压力，由于芯片表面电路部分区域不可触碰，故我们选取球状针头的钨针对芯片上可接触位置(如：焊盘、无电路区域)施加压力，这样既可以避开芯片上不可接触部分，又可通过增减钨针数量来改变对芯片上边面施加的压力H。1。夹具实物见下图l，2。图1石墨定位夹具图2硬铝夹具2焊接曲线的设计及优化功率芯片的焊接不同于