一文读懂芯片的焊接方式

  随着科技的发展，半导体器件和组件在工程、商业上得到了广泛的应用。它在雷达、遥控遥测、航空航天等的大量应用对其可靠性提出了较高的要求，其中芯片的焊接（粘贴）方式也是对其可靠性非常重要的一个环节。

  芯片到封装体的焊接是指半导体芯片与载体（封装壳体或基片）之间形成牢固的、传导性或者绝缘性的连接方法。焊接层除了为器件提供机械连接和电连接之外，还需为器件提供良好的散热通道。下面将针对芯片的焊接或粘贴方式进行一个详细的说明。

   非导电连接

  在芯片到封装体的焊接，有时芯片的背面无需将其电性能引出，因此会用非导电胶黏住芯片起到固定芯片位置的作用。这种非导电胶内部主要以高分子树脂体系为主，添加二氧化硅、氧化铝、氮化硅等填料来提升材料的导热性和绝缘性。非导电胶在实际使用的过程中可以通过点胶、丝网印刷等方式进行使用，然后通过加热完成树脂体系固化之后将芯片与基材焊接在一起。

   导电连接

  芯片封装中还有一种是要形成牢固的、传导性的连接方法，即导电互联。导电互联的方式也很多种，如导电胶连接、金属连接等。

  导电胶连接

  导电胶是指在高分子树脂粘合剂中添加了导电的金属颗粒来实现其导通功能。在这中高分材料中，环氧树脂是最经常使用的。环氧树脂是稳定的线性聚合物，在加入固化剂后，环氧基打开形成羟基并交链，从而由线性聚合物交链成网状结构而固化成热固性塑料。其过程由液体或粘稠液→凝胶化→固体。固化的条件主要由固化剂种类的选择来决定。而其中掺杂的金属含量决定了其导电、导热性能的好坏。

  导电银浆是当前最流行的芯片粘贴方法之一，它所需的固化温度低，这可以避免热应力，但有银迁移的缺点。导电胶因其操作过程中载体不须加热，设备简单，易于实现工艺自动化操作且经济实惠而得到广泛应用，尤其在集成电路和小功率器件中应用更为广泛。但是使用导电胶的器件热阻和电阻都很高。树脂在高温下容易分解，有可能发生填料的析出，在粘贴面上只留下一层树脂使该处电阻增大。因此它不适于要求在高温下工作或需低电阻的器件。另外，导电银胶的机械强度远不如共晶焊接强度大。

  共晶焊接

  共晶焊又称低熔点合金焊接。共晶合金的基本特性是：两种不同的金属可在远低于各自的熔点温度下按一定重量比例形成合金。在微电子器件中最常用的共晶焊是把硅芯片焊到镀金的底座或引线框上去，即“金-硅共晶焊”。众所周知，金的熔点1063℃，而硅的熔点更高，为1414℃。但是如果按照重量比为2.85 ％的硅和97.15％的金组合，就能形成熔点为 363 ℃的共晶合金体。这就是金硅共晶焊的理论基础。

   金-硅共晶焊的焊接过程是指在—定的温度(高于363 ℃ )和一定的压力下，将硅芯片在镀金的底座上轻轻揉动摩擦，擦去界面不稳定的氧化层，使接触表面之间熔化，由二个固相形成—个液相。冷却后，当温度低于金硅共熔点(363 ℃ )时，由液相形成的晶粒形式互相结合成机械混合物金-硅共镕晶体，从而使硅芯片牢固地焊接在底座上，并形成良好的低阻欧姆接触。

  共晶焊的金属种类对连接影响很大，目前主要可做工晶焊的合金为AuGe、AuSn、AuSi、SnIn、SnAg等等，其可使用真空/可控气氛共晶炉设备来实现。其具有热导率熬、电阻小、传热快、可靠性强，粘结后剪切力大的优点，适用于高频、大功率器件中芯片与基板的焊接。对于散热要求非常高的功率器件必须采用共晶焊接。

  焊料连接

  一般来说，焊接工艺中可以用焊料或者焊锡条进行焊接。焊料一般是通过预涂锡膏，然后用回流的方式进行焊接；而采用焊锡条则是进行芯片放置后，然后同样采用回流的方式加工。一般焊锡膏其中一般包括两部分助焊剂和焊料的部分。助焊剂一般多使用由松香、树脂等活性剂、添加剂和有机溶剂组成的松香树脂体系，然后焊料部分多为金属合金。锡膏按照成分可以含铅锡膏和无铅锡膏，而按照熔点分类，则可以分为高温锡膏、低温锡高和不锈钢锡膏。其中无铅锡膏用于绿色电子产品的组装；而高温锡膏则应用于功率器件的封装焊接。

  焊料的加工发生主要为热压焊和回流焊。其中热压焊是利用脉冲加热回流焊接，将两个预先上好了助焊剂、镀了锡的零件加热到足以使得锡融化的温度，冷却固化后，这两个零件就通过固化的焊锡形成一个电气机械连接。而回流焊由于采用不同的热源，回流焊机有：热板回流焊接、热风回流焊接、红外回流焊接、红外热风回流焊机、汽相回流焊机、激光回流焊机等，不同的加热方式，其原理是不一样的。

  烧结银/铜

  烧结过程的驱动力主要来自体系的表面自由能和提醒的缺陷能，系统中颗粒尺寸越小，其比表面积越大，从而表面能越高、驱动力越大。外界对系统所施加的压力、系统内的化学势差及量接触颗粒间的应力也是扩散的驱动力。

  以烧结银为例，烧结得到的连接层为多孔性结构，空洞尺寸在微米及亚微米级别，连接层具有良好的导热和导电性能，热匹配性能良好。当连接层孔隙率为10%情况下，其导电及导热能力可达到纯银的90%，远高于普通的焊料。

  影响烧结质量的因素是多方面的，其中烧结压力、烧结温度和烧结时间是主要影响因素。比有压烧结相比，无压烧结得到的烧结层孔隙率大，密度小，其导电性能、导热性能及可靠性存在差距，更适合于小面积芯片和功率密度较低的封装；烧结温度中的有机部分一部分在100℃以下即可受热挥发掉，另一部分需要在200-280℃下与氧气反应烧蚀掉，有机成分会发蚀之后，银颗粒之间才可以直接产生可靠的烧结层。增大烧结压力、提高烧结温度和延长烧结时间有利于得到可靠的烧结层，但高温高压下芯片和延长时间会降低生产效率。因此，需要根据烧结材料特性，优化烧结压力、烧结温度和烧结时间的匹配，在保证连接层可靠性的前提下减少烧结压力，降低烧结温度，缩短烧结时间。

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