共晶平臺開發(fā)IC新產(chǎn)品的探討

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胡 敏

（樂山無線電股份有限公司）

摘要：

共晶芯片焊接平臺因具有高效、低熱阻、低成本等優(yōu)勢，被廣泛用于表面貼裝半導(dǎo)體分立器件的芯片焊接。隨著移動消費電子產(chǎn)品的大量使用，越來越多的 IC 芯片被放置到小型表面封裝中。對于底部沒有金屬化的小型 IC 芯片，經(jīng)比較證明共晶焊接工藝優(yōu)于聚合物粘接劑粘接，將低噪聲放大器 IC 芯片以共晶焊接的方式組裝到 SC88 封裝中，并通過可靠性測試，成功實現(xiàn)量產(chǎn)。

1 引言

隨著移動消費電子市場的快速增長，手機、智能手表、手環(huán)等移動電子產(chǎn)品需要大量低成本、小型化封裝的 IC。主流 IC 用的芯片粘接材料是聚合物粘接劑，聚合物粘接劑粘接 IC 芯片在小型化方面普遍適用，但在成本、熱傳遞方面還有改善的空間。

芯片的材料主要是 Si、GaAs 等，芯片與基板或引線框架的連接主要有 2 類，即聚合物粘接和釬料焊接。聚合物粘接劑有導(dǎo)電和非導(dǎo)電的，在聚合物粘接劑中摻加銀粉 [1] ，稱為銀漿，即導(dǎo)電材料；非導(dǎo)電材料則沒有摻加銀粉。釬料焊接是通過高溫熔化釬料把 2 種金屬焊接在一起，普通釬料焊接是將釬料放置在芯片和引線框架中加熱熔化，共晶焊接是釬料焊接的另外一種形式，是預(yù)先制備金屬到 2 個被焊接物的接觸表面，如芯片底部和引線框架表面，再在高溫下將 2 個物體接觸面的金屬熔化，冷卻后達到焊接目的。文獻[2]中連接的陶瓷基片底層預(yù)先電鍍了 3 μm 的金，在真空共晶爐里實現(xiàn)了金錫共晶焊接。

為了進一步降低成本、提高熱傳遞能力，本文介紹了用于小型化 IC 產(chǎn)品的共晶焊接方法，從工藝、設(shè)備等方面解釋了低成本、低熱阻的原因，以實例闡述了實現(xiàn)過程和可靠性結(jié)果，證明小型 IC 芯片的共晶焊接在成本和熱傳遞方面要優(yōu)于聚合物粘接劑粘接。

2 共晶焊接及現(xiàn)狀

芯片共晶焊接是瞬態(tài)液相焊接（TLPB）的一種稱謂，共晶焊接預(yù)先把芯片底部金屬化，芯片底部金屬和引線框架金屬都有自己獨特的晶格排列，芯片切割后，單顆芯片底部金屬和引線框架上的金屬在特定比例、溫度（共晶溫度）下熔化成液態(tài)，冷卻后芯片和引線框架被共熔合金連接在一起，達到焊接的目的。共晶焊接省略了每次焊接放置釬料的動作，其效率要高于普通釬料焊接。

共晶焊接涉及的設(shè)備形態(tài)較多，有真空共晶爐 [2] ，有實現(xiàn) LED 芯片共晶焊接 [3] 的激光局部加熱爐，有對Au 基共晶材料（金錫、金鍺）進行焊接 [4] 的隧道爐。這些設(shè)備自動化程度不高，焊接時間為秒級，文獻[5]研究了 GaAs 芯片和 Mo70Cu30 合金片的共晶焊接，GaAs 芯片底部鍍金，Mo70Cu30 合金片上鍍了厚度為5 μm 的 Ni-Au-Sn，在 310 ℃通過摩擦芯片 25 s 左右完成共晶焊接。以上這些形式的共晶焊接在自動化、焊接時間方面制約了器件的大規(guī)模生產(chǎn)，且不能滿足高效率、低成本的市場需求。

3 銀漿和共晶工藝設(shè)備比較

本研究在 SC88（SOT363）封裝上進行共晶焊接和銀漿焊接的 IC 驗證，并比較工藝設(shè)備。銀漿平臺主流設(shè)備配置為芯片焊接機、烘箱、銅線鍵合機。3 個獨立設(shè)備完成芯片焊接和銅線鍵合工序，物料在設(shè)備之間的轉(zhuǎn)運需人工完成。理論上完成 1 片框架（大約 1000粒產(chǎn)品）的時間是 136 min（4 min+120 min+12 min）。共晶設(shè)備配置及工序流程為芯片焊接機→芯片焊接機→銅線鍵合機→銅線鍵合機，4 個步驟 1 套聯(lián)機設(shè)備一氣呵成，物料轉(zhuǎn)運由聯(lián)機設(shè)備自動完成，無需人工操作，理論上完成 1 片框架的時間是 10 min，2 種工藝平臺的效率高下立判。也有少數(shù)公司將共晶設(shè)備改造成銀漿設(shè)備，在芯片焊接機后加一個快速加熱平臺，同時連接銅線鍵合機，這樣理論上完成 1 片框架的時間是 17 min（4 min+1 min+12 min）。使用快速加熱設(shè)備需要定期清理軌道里固化的銀漿殘渣，否則銀漿殘渣會堵塞軌道，故這類設(shè)備維護效率低，會導(dǎo)致設(shè)備利用率低，產(chǎn)品成本上升。

IC 芯片在銀漿工藝平臺上封裝，銀漿芯片焊接機完成點銀漿、芯片吸取并放置到銀漿上，需人工把芯片焊接機出料的產(chǎn)品送入烘箱完成銀漿固化，固化后的芯片再人工送入鍵合機進行焊線。完成焊線后的產(chǎn)品側(cè)面研磨如圖 1 所示，圖 1 中標(biāo)記為 26079、26080的黑白摻雜物質(zhì)是固化后的銀漿，用 EDX 測試其元素，主要是銀，26079 處顯示芯片側(cè)面有銀漿爬升的情況。

圖 2 是共晶焊接、銅線鍵合后產(chǎn)品側(cè)面研磨圖，可以看出芯片與框架結(jié)合面比銀漿焊接的產(chǎn)品側(cè)面干凈，芯片側(cè)面沒有類似銀漿爬升的情況。

銀漿焊接設(shè)備自動化程度低，需要在芯片焊接機、烘箱、銅線鍵合機之間人工轉(zhuǎn)運物料，設(shè)備速度慢，并額外有銀漿耗材的費用，導(dǎo)致總的生產(chǎn)運營成本較高。共晶焊接設(shè)備自動化程度高，物料從芯片焊接機到銅線鍵合機全自動轉(zhuǎn)運，設(shè)備沒有更換銀漿等動作，設(shè)備停頓時間短，運行效率高，總的生產(chǎn)運營成本低。本文驗證的芯片共晶焊接設(shè)備自動化程度高，每顆芯片從吸取到完成焊接只需 200 ms，其中共晶焊接時間在10 ms 左右，可實現(xiàn)產(chǎn)品封裝的低成本、高質(zhì)量焊接。

4 共晶工藝實現(xiàn)小尺寸 IC 封裝

半導(dǎo)體芯片共晶焊接常用的金屬有金-銅、金-錫、銅-錫等。金-銅的優(yōu)點是焊接后芯片粘接強度大，可靠性高，缺點是工藝復(fù)雜，芯片底部金屬和引線框架金屬化工藝窗口窄。金-錫和銅-錫的優(yōu)點是芯片底部金屬和引線框架金屬化工藝窗口寬，缺點是焊接后芯片粘接強度要弱于金-銅。粘接強度的差別源于金-銅液相溫度要高于金-錫和銅-錫的液相溫度。

選用銅-錫金屬工藝在 SC88 框架上共晶焊接低噪聲放大器 IC 芯片，即芯片底部金屬主要是錫，引線框架表面做銅的金屬化。圖 3 是銅-錫相圖 [6-7] ，從圖 3可知錫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 99.3%和 92.4%時，銅-錫合金液相溫度分別為 227 ℃和 415 ℃。

芯片底部金屬經(jīng)過驗證確定是 Ti-Ni-Ag-Sn 合金，主要成分是錫。錫的熔點為 231.89 ℃，銅錫合金液態(tài)線溫度范圍為 227~1085 ℃，理論上焊接設(shè)備溫度在227~1085 ℃均可行，考慮到焊接時間、加熱軌道及引線框架結(jié)構(gòu)，焊接設(shè)備溫度經(jīng)試驗確定為 370 ℃，共晶焊接和銅線鍵合后的低噪聲放大器 IC 在 SC88 框架上的外觀如圖 4 所示。

參考美國 MIL-STD- 883 的 Method 2019.9 標(biāo)準(zhǔn)判斷芯片焊接質(zhì)量是否合格，這款 IC 的最小推力根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)是 100 g，實測最小推力是 416 g，即滿足要求。

通過 X 射線檢測芯片焊接后的情況如圖 5 所示，未見芯片焊接空洞，滿足要求。

采用共晶工藝生產(chǎn)的 SC88 封裝低噪聲放大器 IC經(jīng)高溫蒸煮、溫度循環(huán)、高溫存儲、高加速應(yīng)力測試等可靠性測試后沒有失效，這說明共晶平臺用銅-錫合金生產(chǎn)小尺寸 IC 芯片在技術(shù)上可行。

5 共晶焊接的優(yōu)劣勢

共晶平臺工藝設(shè)備效率的優(yōu)勢是產(chǎn)品的封裝測試成本低于銀漿平臺。以 SC88 和 SOT23 等封裝為例，銀漿平臺產(chǎn)品除去芯片封裝測試外的成本是共晶平臺（考慮了芯片底部金屬化的額外費用）的1.5~1.6倍。

共晶焊接可以理解為芯片級的釬料焊接，但大規(guī)模生產(chǎn)效率要高于普通釬料焊接。普通釬料焊接設(shè)備的芯片焊接機把釬料如 Pb95Sn2Ag2.5 放置在芯片與引線框架之間，高溫熔化釬料達到連接芯片與引線框架的目的；共晶焊接把釬料（如金、錫）預(yù)先做到芯片底部和引線框架上，芯片焊接機省略了放置釬料的動作，故設(shè)備能以毫秒級的時間完成每個芯片與引線框架的焊接。另外普通釬料焊接對芯片尺寸是有要求的，太小的芯片無法使用釬料焊接，因為太小的芯片放置在未完全融化的釬料上會有傾斜、旋轉(zhuǎn)等問題。

共晶設(shè)備可以焊接小至 0.20 mm×0.20 mm 的芯片。共晶焊接與銀漿焊接相比在導(dǎo)熱性方面優(yōu)勢明顯，以 84-1LMIT1 為例，普通導(dǎo)電銀漿的導(dǎo)熱系數(shù)是 3.6 W/ (m·K)，而 Au80Sn20 共晶的導(dǎo)熱系數(shù)是57 W/(m·K)。

共晶焊接的缺點是需要在芯片和框架上制備共晶金屬材料 [8] ，技術(shù)門檻高。業(yè)界在金-銅規(guī)模化共晶焊接上做得好的廠家不多。另外共晶焊接需要匹配芯片、引線框架的熱膨脹系數(shù)，防止熱應(yīng)力導(dǎo)致的芯片裂紋。

6 結(jié)論

在 IC 芯片底部進行金屬化并在共晶平臺上生產(chǎn)是提高效率、降低成本的方法之一，通過 SC88 封裝在共晶平臺完成低噪聲放大器 IC 的新品開發(fā)，確認(rèn)背面金屬為 TiNiAgSn 的 IC 可以滿足大規(guī)模生產(chǎn)及可靠性質(zhì)量要求，為分立器件生產(chǎn)設(shè)備平臺切換成 IC 生產(chǎn)平臺提供了一種參考方案。

審核編輯 黃宇