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Au/In等温凝固芯片焊接研究

王铁兵  
【摘要】: 等温凝固是指:高熔点元素和低熔点元素,在比低熔点元素的熔点略高 的恒定温度下反应,形成固溶体或生成金属间化合物。其特点为所形成的固 溶体或金属间化合物往往具有比反应温度更高的熔点或相变温度。这一特点 运用到焊接中,使焊接可以在较低的温度下进行,而使形成的焊接结构能够 承受比焊接温度更高的温度。 本论文的目的是根据目前封装工业中现有的芯片焊接工艺,以等温凝固 原理为基础开发一种新型具有实用价值的芯片焊接方法。 根据等温凝固原理和芯片焊接的实际需要,从多组二元合金中选出了共 熔点低、反应速度快的金和铟作为焊接材料;并以硅片作为芯片,从目前最 常用的框架材料-铜和铁镍四十二合金中,选出了与硅的热膨胀系数相近的 铁镍四十二合金作为衬底材料。首先考虑到成本和工业上的可行性,对硅片 和衬底上的等温凝固薄膜制作采用了电镀的方法。其次,运用了机械振动去 除铟表面氧化膜以促进焊接反应,以低成本、高速度成功地解决了Au/In焊 接中的关键问题-铟的氧化问题。 在焊接过程中,以超声显微镜作为重要检测手段,结合剪切强度测试等 对焊接参数进行了优化,并阐述了各种参数对焊接的影响。 论文针对两种铟薄膜厚度所产生的焊接,对各自的微结构做了较为细致 的研究,论述了所出现的各种结构特征,并建立了焊接反应模型以描述反应 机制。 热循环、强度、高温稳定性测试、结构再熔化温度测试等对焊接结构的 可靠性作了评估,并且对测试后的微结构变化作了进一步的探讨。 实验结果表明,对于2μm金和3μm铟,250℃下焊接时间约为10秒, 焊层满足美国军方标准(MIL STD 883)规定的强度;能够承受-65℃~150℃热 循环1000周、-55℃~125℃热循环1450周;300℃下保温1000小时无脱落; 结构最高承受温度510℃。 论文最后论述了 Au/In系统用于大芯片焊接的可能性。对于3×3mm2芯 片,初步实验表明,焊接强度满足美国军标的要求,-55℃~125℃热循环1450 周无退化现象。 王铁兵 俗士论文 中文幻丑 经过对材料选择、薄膜制备、焊接优化、微结构分析和可靠性评估后, 本论文完成了芯片焊接新方法的开发。其特点在于:等温凝固和机械振动相 结合;完全针对实际应用。其优点在于:相对于硬焊料焊接温度低;相对于 软焊料,焊接强度高,耐疲劳性能好;相对于有机焊料散热和导电性能高。 该方法不但能适用于硅和铁镍合金间的焊接,同样适用于热膨胀系数相差不 大的其它材料间的焊接;本论文工作同时为等温凝固和机械振动相结合提供 了资料,为其它元素的等温凝固过程提供了线索,因而具有重要潜在的实用 价值。


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