《硅器件和砷化镓的钎焊》由会员分享，可在线阅读，更多相关《硅器件和砷化镓的钎焊（3页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 东莞市力华机械设备有限公司硅器件和砷化镓的钎焊制造器件时，通常将处理好的硅器件芯片钎焊在管壳的基座上。基座材料一般为 194合金（Cu）为 97% 97.8%、（Fe）为 2.1% 2.7%，以及少量的磷和锌） ，或可伐（镍 28.5% 29.5%、钴 16.8% 17.8%，余量为铁） 。有些微波功率管则要求将芯片钎焊在经过金属化的氧化铍陶瓷片上，也有些大功率管钎焊在镀镍的钼片上。基座一般为金属或经过金属化的陶瓷片（可用电镀法制作易焊的金属化层） 。芯片背面金属化处理就复杂得多，所用金属必须与硅能形成良好的欧姆接触，而且在制做金属化层时不能破坏芯片性能，更不能玷污芯片。由于硅与很多金属润
2、湿性极差，并且在大气中硅表面很快生成一层二氧化硅，所以要求接触层金属对硅及二氧化硅均具有很好的润湿性，并且要求钎焊性良好，其热膨胀系数也要与硅接近。由上述表格（半导体技术中常用金属的性能）得知，几乎没有一种单一金属能全面满足上述要求。过去国内芯片背面常用镍层，其润湿性和钎焊性均勉强可用。一些要求较高的器体背面常用金，但价格昂贵。随着微电子技术的发展，不但对电子器件的技术性能要求越来越高，并且要求成本越来越低，单一层金属化已不能满足新的要求，因此近年来逐渐向多层金属化发展。一般采用三层结构。与硅直接接触的称为上粘附层，与钎料接触的称为下粘附层，在两者之间的是过渡层（或称阻挡层） 。1.上粘附层。
3、要求对硅或二氧化硅润湿性良好；对硅的欧姆接触系数小；且膨胀系数应与硅相近。上表中只有 Cr、Ti 、V 可用选用（Al 热膨胀系数与硅相差太大，不宜选用） 。2.下粘附层。它位于芯片背面的最外层，要求性能稳定，易于钎焊，且要求导电和导热性能良好，一般选用 Au、 Ag，近年来也有选用 Sn 的。 Au 的价格最贵，Ag 表面易受H2S、SO 2、NO 2 及 Cl污染而生成导电性很差又很难焊接的 Ag2S、AgCl 等。用 Sn 作为下半导体技术中常用金属的性能与硅的欧姆接触系数/x10-4cm序号金属蒸发温度（蒸汽压1.33） Pa/线胀系数（25下）/（10 -6/）热导率（25下）/W/
4、(cmK)电阻率10-6cm N-Si=10 -3cm =Si9=210-3cm与 Si/SiO的润湿性钎焊性1 Cr 1205 6.7 0.91 12.9 310-2 410-2 很好 很难2 Ti 1737 8.5 0.2 42 110-2 110-2 很好 很难3 V 1847 8 0.6 2526 很好 4 Al 1148 25 2.37 2.65 910-2 310-2 很好 很难5 Mo 2533 5 1.4 5.2 810-2 610-2 较好 6 W 3309 4.5 1.78 5.56 较好 很难7 Ni 1566 13 0.899 6.84 210-2 210-2 较好 不
5、容易8 Ag 1049 19 4.27 1.59 很差 很好9 Au 1465 14.2 3.15 2.24 很差 很好10 Pt 2090 9 0.73 10.6 很差 很好11 Pb 718 29 0.346 20.65 很差 不容易12 Sn 1189 20 0.64 11 很差 很好 东莞市力华机械设备有限公司粘附层，钎焊温度较低，一般控制 300左右。3.过渡层。在用 Au、Ag、Sn 作下粘附层时，不能直接将它们做在上粘附层Cr、Ti 、 V 上。由于它们极易溶于铅锡等钎料中，造成钎料直接与难焊金属 Cr、Ti、V 接触，使芯片钎焊性能变坏。另外，Cr 是亲氧物质，Cr 扩散到表
6、面和氧形成 Cr2O3，这种氧化层的电阻很大，钎焊性很差。所以通常要在上粘附层 Cr、Ti、V 和下粘附层Au、Ag、Sn 之间设置阻挡层作为过渡。通常过渡层采用 Ni 或合金。Ni 与Au、Ag、Cr、Ti、V 都易结合，能防止钎料直接与 Cr、 Ti、V 接触，且 Ni 的热膨胀系数介于 Cr、Ti、V 和 Au、Ag 之间，热匹配性能良好。也有用 Cr/Ag 合金膜代替 Ni 的。当前较流行的三层结构为 V-Ni-Au。它的总厚度约 12m。在制做时，山下粘附层较薄而过渡层较厚，这是因为上粘附层（Cr、Ti、V）电阻较大，下粘附层（Au、Ag ）较为贵重，都不宜做得太厚。采用 Sn 作为
7、下粘附层时则例外Sn 层可做的较厚，达 56m 。4.近年来，不少生产厂家对不同类型的器件采用不同的金属化结构。如日本某公司采用如下结构：pnp 硅小功率器件金属化层为 Au。npn 硅小功率产器件金属化层为 Au/As-Au（小功率管一般采用共晶焊） 。pnp 硅大功率器件金属化层为 Cr、Ni、Ag 、Au 。npn 硅大功率器件金属化层为 Au/As、Cr、Ni、Ag 、Au 。美国国家半导体公司则采用 Sn 作为下粘附层，它不仅节省了贵重金属，而且钎焊温度有所降低，有利于提高装配成品率，有一定的发展前途。pnp 硅器件金属化层为 Cr、Ag 、Sn 。npn 硅器件金属化层为 Au/A
8、s、Ag 、Sn.两者层的厚度约 68m，其中 Sn 厚度约占总厚度的 80%。硅器件钎焊工艺通常先把做好的芯片减薄到一定的厚度，再在其背面作金属化处理。将金属化后的芯片用钎料钎焊在已电镀的管壳基座上。钎焊温度和时间要根据所采用的钎料熔点及芯片面积、基座热容量等诸因素决定。钎焊温度对钎焊质量和器件性能有显著影响。温度过低，钎料熔化不良，润湿性差，使器件热阻变大饱和压降增加；温度过高，钎料熔化过度，铺展面积过大，且易使器件性能变坏，钎焊温度一般钎料熔点高 1550较为适宜。至于钎焊时间，应根据钎焊温度、芯片大小、基座热容量等因素通过试验确定。钎焊过程一般包含预热、保温个降温三个阶段。为了防止在钎
9、焊过程中母材和钎料的氧化，可在真空下钎焊，真空度一般不低于13Pa。为了便于自动化大生产，近年来多采用惰性气体（氮气）保护钎焊，也有在氮气中加入 3%5%的氢气，能使器件的钎焊性能更佳。另外，也可采用还原性气体纯氢气保护钎焊。在硅器件芯片的焊接中，另一种应用很广的是共晶钎焊法。它是利用芯片背面的金属（如金片）在加热时形成金硅低共熔合金而钎焊芯片的一种方法。Au-Si 低熔共晶合金含 Si3.2/%，熔化温度为 363。钎焊时，要求基座和芯片加热到 400420左右，还可以在加热的同时使芯片和基座之间相互擦动以利于钎焊。芯片背面金属化层厚度越厚，越有利于钎焊。芯片背面金属化层厚度越厚， ，越有利
10、于钎焊，但考虑到成本因素，通常控制在 11.5m。芯片背面不蒸金时，也可在芯片和基座之间加入厚度 0.020.03mm 的金箔（或金- 锑箔） 。检查钎焊质量的方法是：首先观察钎料是否充分熔化，再通过检查抗剪强度、导热情况（用热阻大小表示）和导电情况（器件压降）来判断钎焊质量。还可将芯片剥离，观察芯片背面和基座间的共晶面（未形成合金的镀金层是黄色，共晶面是银白色） 。良好的钎焊 东莞市力华机械设备有限公司质量，其共晶面的面积应不低于芯片背面面积的 75%。砷化镓器件的钎焊GaAs 是化合物半导体中发展最成熟和应用最广泛的材料，但与硅工艺相比无论是材料制备或是器材制造技术，都显得不够成熟。砷化
11、镓的主要缺点是在加热到 600以上时，其表面失去 As，因而破坏了化学计量比，使器件制造工艺变得复杂，这是它不如 Si 工艺成熟的主要障碍。但是，由于化合物半导体的特殊性能和应用的迫切要求，其器件制造工艺正在迅速发展，已经成为一门独立的有生命力的技术。GaAs 芯片的钎焊是化合物半导体工艺中新发展起来的技术（过去多用导电树脂粘接） 。芯片钎焊前必须经过金属化工艺处理，金属化层与 GaAs 芯片之间必须符合欧姆接触，金属化层与电镀好的管壳进行钎焊时，钎料不能直接与 GaAs 接触，否则会影响半导体器件的性能。金属半导体接触及金属化金属化是半导体器件的重要工艺之一。欧姆接触与肖特基势垒均属-半导体
12、接触范畴，此处仅对 GaAs 的欧姆接触进行简单介绍。化合物半导体欧姆接触的类型很多，其中使用最多的是表面高掺杂型（隧道穿透型） ，作为接触的合金与半导体有源层通过合金化互相作用，在接触合金下形成一个高掺杂再生长层。由于载流子耗尽层很薄，载流子能以隧道效应在金属和半导体之间的势垒进行输运。欧姆接触的合金由以下一些成分组成：1.粘附金属。为使掺杂元素与半导体展附性好，在 GaAs 上先蒸上一层 Cr、Ni 或 Al 等金属，以增加金属与半导体之间的粘附。2.掺杂元素。对-族化合物而言， n 型可用A 族的 Si、Ge 、Sn 和B 族的Se、Te 。p 型一般用 A 族的 Be、Mg 和B 族的
13、 Zn、Cd 。掺杂元素的表面还要覆盖一层合金层，对 n 型 GaAs 最常用的合金为 AuGeNi（金锗共晶合金中熔解了镍） ，在 500时与 GaAs 平衡的 AuGeNi 中 Ni 的平均溶解度为 2.52%（质量分数） ，650时为 2.67%（质量分数） 。对 p 型 GaAs 而言，其金属化合物为 Be 或 AuZn 合金膜，或用外延的方法在GaAs 表面上制 TiPt 或 CrAu 膜。3.覆盖金属。为使欧姆接触能与外壳（或引线）钎焊，一般在掺杂层外面再覆盖一层易焊金属，最常用的覆盖金属为金。芯片钎焊为了保证材料性能不受破坏，只能采用软钎焊进行芯片的钎焊，但要求有足够的强度、良好的散热性能和较低的欧姆接触电阻。芯片钎焊方法主要有软钎焊法和共晶钎焊法（薄焊焊接法）两种。钎焊方法的选择需根据器件的材料、结构、引线组装、表面金属化结构以及可靠性等综合考虑确定。软钎焊法是用钎料进行钎焊的。为了防止氧化，一般采用包金钎料球或钎料片。钎料放置在金属化（或合金化）的芯片和电镀过的管座之间进行钎焊。为了提高芯片钎焊质量和速度，不仅需要合适的温度、压力和时间，还要施加一定的揉动。常用的揉动方法有两种：一种是芯片对管座作相应的平移；另一种是由超声波振动产生的摩擦。为了避免划伤芯片，焊头端部是真空吸嘴（俗称气镊子或真空镊子） 。
