一文讀懂芯片的焊接方式

隨著(zhù)科技的發(fā)展，半導體器件和組件在工程、商業(yè)上得到了廣泛的應用。它在雷達、遙控遙測、航空航天等的大量應用對其可靠性提出了較高的要求，其中芯片的焊接（粘貼）方式也是對其可靠性非常重要的一個(gè)環(huán)節。

芯片到封裝體的焊接是指半導體芯片與載體（封裝殼體或基片）之間形成牢固的、傳導性或者絕緣性的連接方法。焊接層除了為器件提供機械連接和電連接之外，還需為器件提供良好的散熱通道。下面將針對芯片的焊接或粘貼方式進(jìn)行一個(gè)詳細的說(shuō)明。

非導電連接

在芯片到封裝體的焊接，有時(shí)芯片的背面無(wú)需將其電性能引出，因此會(huì )用非導電膠黏住芯片起到固定芯片位置的作用。這種非導電膠內部主要以高分子樹(shù)脂體系為主，添加二氧化硅、氧化鋁、氮化硅等填料來(lái)提升材料的導熱性和絕緣性。非導電膠在實(shí)際使用的過(guò)程中可以通過(guò)點(diǎn)膠、絲網(wǎng)印刷等方式進(jìn)行使用，然后通過(guò)加熱完成樹(shù)脂體系固化之后將芯片與基材焊接在一起。

導電連接

芯片封裝中還有一種是要形成牢固的、傳導性的連接方法，即導電互聯(lián)。導電互聯(lián)的方式也很多種，如導電膠連接、金屬連接等。

導電膠連接

導電膠是指在高分子樹(shù)脂粘合劑中添加了導電的金屬顆粒來(lái)實(shí)現其導通功能。在這中高分材料中，環(huán)氧樹(shù)脂是最經(jīng)常使用的。環(huán)氧樹(shù)脂是穩定的線(xiàn)性聚合物，在加入固化劑后，環(huán)氧基打開(kāi)形成羥基并交鏈，從而由線(xiàn)性聚合物交鏈成網(wǎng)狀結構而固化成熱固性塑料。其過(guò)程由液體或粘稠液→凝膠化→固體。固化的條件主要由固化劑種類(lèi)的選擇來(lái)決定。而其中摻雜的金屬含量決定了其導電、導熱性能的好壞。

導電銀漿是當前更流行的芯片粘貼方法之一，它所需的固化溫度低，這可以避免熱應力，但有銀遷移的缺點(diǎn)。導電膠因其操作過(guò)程中載體不須加熱，設備簡(jiǎn)單，易于實(shí)現工藝自動(dòng)化操作且經(jīng)濟實(shí)惠而得到廣泛應用，尤其在集成電路和小功率器件中應用更為廣泛。但是使用導電膠的器件熱阻和電阻都很高。樹(shù)脂在高溫下容易分解，有可能發(fā)生填料的析出，在粘貼面上只留下一層樹(shù)脂使該處電阻增大。因此它不適于要求在高溫下工作或需低電阻的器件。另外，導電銀膠的機械強度遠不如共晶焊接強度大。

共晶焊接

共晶焊又稱(chēng)低熔點(diǎn)合金焊接。共晶合金的基本特性是：兩種不同的金屬可在遠低于各自的熔點(diǎn)溫度下按一定重量比例形成合金。在微電子器件中最常用的共晶焊是把硅芯片焊到鍍金的底座或引線(xiàn)框上去，即“金-硅共晶焊”。眾所周知，金的熔點(diǎn)1063℃，而硅的熔點(diǎn)更高，為1414℃。但是如果按照重量比為2.85 ％的硅和97.15％的金組合，就能形成熔點(diǎn)為 363 ℃的共晶合金體。這就是金硅共晶焊的理論基礎。

 金-硅共晶焊的焊接過(guò)程是指在—定的溫度(高于363 ℃ )和一定的壓力下，將硅芯片在鍍金的底座上輕輕揉動(dòng)摩擦，擦去界面不穩定的氧化層，使接觸表面之間熔化，由二個(gè)固相形成—個(gè)液相。冷卻后，當溫度低于金硅共熔點(diǎn)(363 ℃ )時(shí)，由液相形成的晶粒形式互相結合成機械混合物金-硅共镕晶體，從而使硅芯片牢固地焊接在底座上，并形成良好的低阻歐姆接觸。

共晶焊的金屬種類(lèi)對連接影響很大，目前主要可做工晶焊的合金為AuGe、AuSn、AuSi、SnIn、SnAg等等，其可使用真空/可控氣氛共晶爐設備來(lái)實(shí)現。其具有熱導率熬、電阻小、傳熱快、可靠性強，粘結后剪切力大的優(yōu)點(diǎn)，適用于高頻、大功率器件中芯片與基板的焊接。對于散熱要求非常高的功率器件必須采用共晶焊接。

焊料連接

一般來(lái)說(shuō)，焊接工藝中可以用焊料或者焊錫條進(jìn)行焊接。焊料一般是通過(guò)預涂錫膏，然后用回流的方式進(jìn)行焊接；而采用焊錫條則是進(jìn)行芯片放置后，然后同樣采用回流的方式加工。一般焊錫膏其中一般包括兩部分助焊劑和焊料的部分。助焊劑一般多使用由松香、樹(shù)脂等活性劑、添加劑和有機溶劑組成的松香樹(shù)脂體系，然后焊料部分多為金屬合金。錫膏按照成分可以含鉛錫膏和無(wú)鉛錫膏，而按照熔點(diǎn)分類(lèi)，則可以分為高溫錫膏、低溫錫高和不銹鋼錫膏。其中無(wú)鉛錫膏用于綠色電子產(chǎn)品的組裝；而高溫錫膏則應用于功率器件的封裝焊接。

焊料的加工發(fā)生主要為熱壓焊和回流焊。其中熱壓焊是利用脈沖加熱回流焊接，將兩個(gè)預先上好了助焊劑、鍍了錫的零件加熱到足以使得錫融化的溫度，冷卻固化后，這兩個(gè)零件就通過(guò)固化的焊錫形成一個(gè)電氣機械連接。而回流焊由于采用不同的熱源，回流焊機有：熱板回流焊接、熱風(fēng)回流焊接、紅外回流焊接、紅外熱風(fēng)回流焊機、汽相回流焊機、激光回流焊機等，不同的加熱方式，其原理是不一樣的。

燒結銀/銅

燒結過(guò)程的驅動(dòng)力主要來(lái)自體系的表面自由能和提醒的缺陷能，系統中顆粒尺寸越小，其比表面積越大，從而表面能越高、驅動(dòng)力越大。外界對系統所施加的壓力、系統內的化學(xué)勢差及量接觸顆粒間的應力也是擴散的驅動(dòng)力。

以燒結銀為例，燒結得到的連接層為多孔性結構，空洞尺寸在微米及亞微米級別，連接層具有良好的導熱和導電性能，熱匹配性能良好。當連接層孔隙率為10%情況下，其導電及導熱能力可達到純銀的90%，遠高于普通的焊料。

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