读书笔记金锡真空共晶焊仿真分析.doc

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1、读书笔记一：薄膜基板芯片共晶焊技术研究巫建华（中国电子科技集团公司第43研究所，合肥230088）基板采用Al2O3陶瓷基板，共晶焊区采用磁控溅射或蒸发制备复合薄膜，通过电镀、光刻、热处理后获得，图1为薄膜基板制作工艺流程图，芯片采用Ti/Ni/Au，其中Au的厚度为0.2m，共晶焊设备采用进口的Westbood真空共晶焊炉。共晶焊常用的焊料有Au80Sn20、Au97Si3、Au88Ge12三种成分，表1为三种常用焊料的参数对比。三种焊料的熔点各不相同，选取时要综合考虑焊接膜层及厚度、基板和芯片所能耐受的最高温度等因素，通过表1对比，其中AuSn焊料的熔点最低，导热性、电阻率都良好，并且焊料

2、中Au占了很大的比重，材料表面的氧化程度较低，所以焊接中无需助焊剂，避免了因使用助焊剂对半导体芯片形成的污染和腐蚀。所以本研究采用预成型Au80Sn20焊片进行烧结，共晶温度280，焊片的尺寸与芯片大小相同，厚度40m。总结：真空度和保护气氛是影响共晶焊接质量的一个重要因素。在共晶焊接过程中如果真空度太低，焊区周围的气体以及焊料、被焊芯片焊接时释放的气体容易在焊接完成后形成空洞，从而增加焊接芯片的热阻。但如果真空度太高，在加热过程中热导介质变少，容易产生共晶焊料达到熔点温度还没有熔化的现象。读书笔记二：功率芯片低空洞率真空共晶焊接工艺研究贾耀平：中国西南电子技术研究所，四川成都610036目前

3、将半导体裸芯片装配到载体上(如管壳等)的实现方法主要有导电胶粘接和共晶焊接两种。导电胶粘接具有工艺简单、速度快、成本低、可修复、低温粘接、对管芯背面金属化无特殊要求等优点，但在微波频率高端，毫米波或微波/毫米波大功率时，由于导电胶粘接的电阻率大，导热系数大，造成微波损耗大、结温高，其功率性能、寿命及可靠性等方面将受到影响。由表1可以看出，共晶焊接的热性能、电性能及机械性能大大优于导电胶粘接。因此在频率较高、功率较大、可靠性要求较高情况下，应当采用共晶焊接工艺进行芯片装配。表1粘结和共晶焊接材料电、热、机械性能比较贴片材料热导率/(W/m*K)电阻率/10-6*剪切强度/MPa导电胶281005

4、006.840AuSn25135.9185AuSi29377.5116PbSn5014.528.5 功率芯片的焊接不同于其他焊接，除考虑如何获得剪切强度高、孔洞率低的焊接效果，还必须综合考虑芯片的最高耐受温度及对应时长，为此在进行焊接温度曲线设计时应重点以下几个参数：最高焊接温度：一般情况下要获得好的焊接质量，焊接温度要高于焊料合金的共晶温度3040，但目前国外GaAs基毫米波功率芯片最高耐受温度一般为300，超过300不超过30s，国内一般为290300，因此可选的最高焊接温度一般为290305，同时保证300以上时间尽量短。熔融状态时间：熔融时间及最高焊接温度直接决定了焊料在焊接过程中与被

5、焊接面反应生成金属间化合物（IMC）的厚度，最高焊接温度越高、熔融时间越长，IMC越厚；而IMC厚度与焊点剪切强度密切相关，IMC厚度在合适范围内时剪切强度较大，且随厚度改变变化不大，一旦IMC厚度超过该合理范围则剪切强度会急剧下降；因此可通过不同熔融时间下焊接的剪切强度来确定合适的IMC厚度范围及熔融状态时间范围。熔融状态时真空度：为降低氧化及因残留气体造成的空洞缺陷，可在焊接过程进行抽真空处理，但全工艺过程真空环境会降低加热速率，造成工艺过程时间长，温度不宜控制；为此可采取全过程高纯氮环境，熔融阶段达到最高焊接温度后进行抽真空处理，也可达到相同的效果，减少空洞的产生。冷却速率：焊接完成后应

6、尽快冷却这样可使结晶细腻、获得敷形好、接触角小的优良焊点。前期加热开始前对炉内进行不低于两次的抽真空然后充入高纯氮处理，纯化炉内气氛，降低氧分值；升温及保温区要加热均匀，使加热板与热沉温差尽量小，且保温区结束时，温度接近焊料熔点（270275）；最高烧结温度为300305，焊料熔融时间为50s70s；熔融阶段达到最高温度后抽真空至100mbar左右；冷却速率1.5/s3/s即可。总结：基于上述考虑，对于焊接曲线的设计，设置升温区、保温区、焊接区、冷却区，同时根据需要在各段采取抽真空，充高纯氮等工艺手段。导电胶粘接具有工艺简单、速度快、成本低、可修复、低温粘接、对管芯背面金属化无特殊要求等优点，

7、但在微波频率高端，毫米波或微波/毫米波大功率时，由于导电胶粘接的电阻率大，导热系数大，造成微波损耗大、结温高，其功率性能、寿命及可靠性等方面将受到影响。读书笔记三：共晶焊料焊接的孔隙率研究陈波，丁荣峥，明雪飞，高娜燕（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏无锡214035）Au80Sn20焊料真空烧结工艺试验样品制备，其真空烧结的时间-温度工艺曲线如图1。芯片与基板间放置焊料片，在芯片上压放重量块，使芯片与焊料形成紧密接触。将烧结气氛真空度降至1.010-2Pa以下，再从室温升至250进行预热，并在250保持2min，以去除基板等表面吸附的水等，然后升温至310，并在310下保持2min，使焊

8、料熔融并充分浸润焊接面，再降温至100以下完成焊接。Au80Sn20焊料保护气氛静压烧结工艺试验样品制备，保护气氛烧结的工艺条件与真空烧结工艺的温度-时间曲线基本一致，试验气氛环境为氮-氢（2%5%）混合保护气体。总结：焊接层除了为器件提供机械连接或电连接外，还须为器件提供良好的散热通道。合金焊料焊接具有机械强度高、热阻小、稳定性好、可靠性高等优点。大功率或高功率密度的高可靠电路等的芯片与载体（如外壳、基板等）焊接通常采用合金焊料，以形成抗热疲劳性优、热阻低、接触小的焊接方法。读书笔记四：基于Au基共晶焊料的焊接技术及其应用胡永芳,李孝轩,禹胜林(南京电子技术研究所,江苏南京210013)钎焊

9、的第一阶段是熔化的焊料在准备接合的固体金属表面进行充分的扩散,这一过程一般称为“润湿”。对于金属晶体来说,原子有规则地排列在原子空间,各个原子互相吸引又互相排斥,以此维持一定的间隔;游离的电子为许多金属离子所共有,这些金属离子有规则地排列,形成金属的结晶。熔化相互间的吸引力形成结合状态。其他原子移动到条件合适的空穴上,停在稳定的位置。焊缝处的成分和机械强度等因焊料与母材的结合及结合时的各种条件不同而异。共晶焊接时,对连接金属加以一定的压力非常重要。加压的目的是使母材与焊料形成紧密的接触,以利于接触反应熔化的进行。压得越紧,母材之间的接触点越多,液相形成的速度越快,接触面上形成的液相越完全。加压

10、的作用又可使形成的液相从间隙内挤出,以免母材溶解过多,在液相挤出同时,破碎的氧化物也被挤出间隙,有利于提高接头质量。本试验采用镀金的金属基板(镀Ni/Au),金锗焊片、金锡焊片、砷化镓试验材料,装夹前使用无水乙醇清洗金属基板与焊片,去除材料表面的油污和其他污物,挑选平整的焊片进行装夹,隧道炉传输带上的温度均匀性良好,且通过充保护气体具有抑制(H2去除氧化物)氧化物的能力,整个试验采用热电偶进行全炉温度跟踪实测,设定的温度点如表1所示,焊接过程中隧道炉各阶段的保护气体流量如表2所示,热电偶实测试验件上的焊接温度曲线如图1、图2所示。总结：由以上分析可知, 采用 Au 基共晶焊料能形成优质的焊缝接

11、头。 该焊缝是在一定条件下获得的,应包含两个过程: 一是焊料填满焊缝的过程, 二是焊料与母材相互作用的过程。焊料填满焊缝的过程体现在焊料在母材间隙中的毛细流动特性, 焊料填充焊缝的优劣取决于焊料对母材的润湿性。 读书笔记五：真空环境下的共晶焊接霍灼琴，杨凯骏（中国电子科技集团公司第2研究所，太原030024）焊料的选用是共晶焊接非常关键的因素。不同材质的芯片、镀层厚度不同，焊料的选用标准也不同。如Si芯片背面的Au只是蒸一个薄层，不过0.1m0.2m，如用AuSn焊料时芯片上镀的金就会被“吃掉”。所以如何选用焊料是很关键的。焊料中合金比例不同，其共晶温度也不同。由于环境保护的要求日趋严格，含铅

12、焊料的应用越来越受到限制，近年来人们正积极开发各种无铅焊料。选择无铅焊料的原则是：熔点尽可能低、结合强度高、化学稳定性强。下面就几种常用无铅焊料的特性做简单介绍：Sn-3.5Ag：是众多无铅焊料的基础，溶点221（Sn-Pb焊料的熔点为183），液态下表面张力大、润湿性差、强度高、抗蠕变性强。Sn-3.8Ag-0.7Cu：熔点217，Cu的引入不仅降低了熔点，且显著改善了润湿性能。245即具有很好的润湿性。Sn-3.4Ag-4.8Bi：熔点200-216，润湿性最佳，表面最亮，抗热疲劳及耐蠕变性与Sn-Ag-Cu焊料相当，强度优于Sn-Pb。但该合金对铅极为敏感，极少量的铅也会使其熔点降至96

13、当线路板暴露在100以上温度时，焊点就会脱落。Au-20Sn：熔点280，金锡合金与镀金层成分接近，因而通过扩散对很薄镀层的浸润程度很低。液态的金锡合金具有很低的粘滞性，从而可以填充一些很大的空隙，另外，此种比例的焊料还具有高耐腐蚀性、高抗蠕变性及良好的导热和导电性，其不足之处是它的价格较贵，性能较脆，延伸率很低，不易加工等。它常应用于一些特殊的同时要求机械及导热性能好以获得高可靠性的场合。Sn-52In：熔点118，由于In的引入使锡合金的液相线和固相线降低，即降低了其熔点。它属于一种低温焊料，产品焊接性能良好，尤其是在真空环境下或在甲酸气体保护环境下。但是它的耐热疲劳性、延展性、合金变脆

14、性、加工性等方面还存在缺陷，因此它只适用于特殊工艺焊接。Sn-Zn：熔点198。Sn-Zn系焊料可以实现与Sn-Pb共晶焊料最接近的熔点，其力学性能也好，而且便宜。但Zn为反应性强的金属，容易氧化致使浸润性变差。Sn-Zn系焊料钎焊系统的保存性较差，长期放置会引起结合强度变低等不少问题。特别是对于150的高温放置极为敏感。真空度和保护气氛是影响共晶焊接质量的一个重要因素。在共晶焊接过程中，如果真空度太低，焊区周围的气体以及焊料、被焊器件焊接时释放的气体容易在焊接完成后形成空洞，从而增加器件的热阻，降低器件的可靠性，扩大IC断裂的可能。但是如果真空度太高，在加热过程中传导介质变少，容易产生共晶焊

15、料达到熔点但还没有熔化的现象。一般共晶焊接时的真空度为5Pa10Pa，但对于一些内部要求真空度的器件来说，真空度要求往往更高，一般到510-2Pa510-3Pa，甚至更高。保护气氛分为氮气保护焊和甲酸气氛保护焊。对于体积比较大、对焊接空洞要求不高的器件，可以用氮气保护焊。和红外再流焊炉或箱式炉相比，真空炉可以先抽真空再充氮气，循环几次后，可以使真空室内保持比较高的氮气浓度。使用含铟的焊料时，一般使用甲酸保护气氛，通过流量控制，控制进气量，同时控制抽气速度，使真空度保持在2000Pa，在高温下能有效还原氧化物。总结：在真空环境下进行共晶焊接，可以防止焊接过程中氧化物的产生。同时如果焊接过程中充以

16、甲酸气体等具有还原性的气体，还能够将焊料中已经形成的氧化膜进行还原，从而减少空洞的产生，提高焊接质量。因此，通过大量的工艺实验，制定出适合产品的温度曲线，辅以真空或气氛保护并施加一定的压力，能有效提高共晶焊接的质量。相比于在大气环境中工作的共晶设备，真空共晶技术还能实现多芯片一次性高质量焊接。读书笔记五：无空洞真空共晶技术及应用高能武,季兴桥,徐榕青,李悦(中电科技集团公司第29研究所,四川成都610036)真空对共晶焊接的影响主要表现在真空条件下焊料及被焊材料表面氧化反应的变化,最终影响焊料的浸润和铺展。金属氧化达成的平衡和系统的氧分压相关。在真空系统当中,由于氧分压非常低,在真空系统当中重

17、新平衡时将导致原来的氧化物分解,即原来的化合反应逆向为分解反应。这种情况对分解压大的金属氧化膜有利,如贵金属氧化膜等。一般的金属氧化物分解需要的真空度极高,在技术上很难达到。一般情况下,真空环境中共晶焊接功率芯片的被焊表面是黄金,焊料为AuSn、AuGe等合金.被焊表面经过清洗后进入真空系统,此时的氧化膜主要是焊料表面在使用前已经存在的氧化膜,虽在真空中有分解的倾向,但从反应动力学看,焊接温度未必达到了氧化膜开始分解的温度,真空系统中的氧分压也没有足够高到氧化物分解需要的分压分析来看,在没有助焊剂的情况下,真空环境下进行共晶焊接主要是阻止了焊接过程中焊料的进一步氧化,从而使得焊料被焊表面浸润和

18、铺展过程中所做的功减少,有利于焊接。另外,在真空环境中(一般采用的真空度为0.5Pa或者更高。)进行共晶焊接,排走了焊区周围的气体,同时也排走了焊料、被焊材料焊接时放出的气体,可不再考虑因焊接过程中材料放气而对焊接界面造成污染的问题。不管是采用AuSn还是AuGe共晶焊接功率芯片,都要求被焊表面是黄金。在实际生产中,多采用电镀的方法在电路或者金属载板上实现这一要求。因此电镀金层的质量对共晶焊接有直接的影响。通常要求镀金层的厚度在4m以上,而且在高于焊料熔化温度的条件下不能有变色或者起泡等现象,镀层结合力良好。温度是很重要的工艺参数,包括温度均匀性和升降温曲线。通常情况下,温度高的地方优先被焊料

19、浸润和铺展,这要求焊接处温度均匀。温度不均匀可适当延长加热时间来解决。升温曲线是整个焊接过程的关键之一。读书笔记六：真空共晶技术的研究应用谢飞,刘美钥(成都西科微波通讯有限公司,四川成都610091)(1)设备与工具:超声波清洗机;真空共晶炉;石墨夹具;镊子;真空芯片拾放器;立体显微镜;剪切力测试仪;X射线检测仪。(2) 操作条件,真空共晶操作条件见表1。共晶焊接一般都采用焊料,除非管芯背面镀有足够数量的纯金,焊料是一层薄薄的合金,常用的有金锡(AuSn)、金硅(AuSi)、金锗(AuGe)等。这几种焊料的熔点各不相同,选取时要根据管芯等所能耐受的最高温度以及工艺流程来共同确认。金合金的熔点参

20、考图如图2所示几种常见共晶焊料的熔点:AuSn80/20280,AuGe88/12356,AuSi97/3370。在其中,AuSn的熔点最低,为避免芯片等元件受到的热冲击小,不少公司采用了AuSn合金来实现芯片的共晶。AuSn合金共晶焊的意义在微波功率器件上尤其明显,这是因为功率器件对焊接要求高、焊区导电、导热性好、焊接可靠性高,成品率高。在共晶时,电路片、管芯、载体等的镀金质量与共晶的质量息息相关。金层的厚薄、致密程度以及焊接时能否耐焊接时的高温,都直接影响芯片共晶焊接的可靠性。目前,许多厂家在制器件时就已在硅片上镀了金,这无疑方便了共晶。但管芯背面若是太粗糙或镀金不均匀就会造成共晶不良。此

21、外,镀金层的厚度与芯片面积也有关,一般对于1mm1mm的芯片,需要有2.0m3.5m厚的致密金层才能获得可靠的共晶焊。在共晶时,使用了不洁净的基板、载体,或管芯背面受到了污染,就会造成在共晶过程中合金不能完全扩散,从而影响共晶的效果。因此在共晶前必须进行严格的清洗,以去除电路或载体等在加工、传递过程中带来的污染。清洗时,要根据污染的性质,对症下药,方可收到良好的效果,清洗干净后的工件应当存放在氮气保护柜中。常见的清洗方法有超声波清洗、化学清洗、等离子轰击等,常见的清洗方法及试剂见表2。在真空共晶时,通过预热、排气、真空、加温、降温、进气等过程实现共晶的全过程,以某产品共晶的参数为例,参数设置如

22、图3所示。该参数设置由11个过程组成,其中各过程的作用如下。(1)过程1、2、3主要是通过抽真空和充、排气过程,纯化炉内气氛。(2)过程4真空下加热升温过程。(3)过程5、6保温过程,并通过加入工艺气体提高升温速率。(4)过程7升温至共晶所需温度。(5)过程8、9保温及共晶过程。(6)过程10共晶完成,降温冷却过程。(7)过程11通过充、排气,打开炉体,取出工件。总结：在各工艺参数中,最关键的就是共晶温度以及时间的选取。由于热量传递条件,温度测量误差等的影响,设置的焊接温度通常要高于合金的熔点。在焊接导热性较差的外壳或热容量较大的底座时,焊接温度要适当的提高,预热时间也要加长。在加入保护气体时

23、保护气体也要适当加热,以免降低焊区的温度。但是,焊接温度不宜过高,否则会使芯片特性变坏(如:击穿电压下降)。因此,焊接时,要根据具体情况,设置合适的工艺参数。在真空共晶过程中氮气用以冷却和工艺处理。读书笔记六：考虑空洞效应的共晶钎料合金粘塑性损伤本构模型周俊 郝伟娜 柴国钟(浙江工业大学310014杭州)共晶焊料的弹性模量和泊松比可以由文献得到,分别为 E=62-0.067T(GPa)(14)， G=24.3-0.0029(GPa)(15)， M=E/2G-1(16)。借鉴文献中确定模型材料参数的方法,利用本文温度298K398K和应变率10-5/s10-3/s恒应变率试验的应力应变数据,可

24、以获得粘塑性-损伤模型的参数。参数的获取可以根据两个阶段获得。首先根据恒温单轴拉伸条件下得到的不同温度、不同应变率的应力-应变曲线进行拟合近似估计获得粘塑性参数,假定材料仅有初始空洞生长而无空洞成核(f0=01001),即fN=0,fc=1,fF=1,q1=1,q2=1,然后根据得到的粘塑性参数,利用应力应变曲线结合粘塑性损伤本构方程优化拟合进一步获得反映材料非线性特性和孔洞生长的损伤参数。具体数据见表1。总结：已有很多实验结果表明, 孔洞对焊点的可靠性有着密切的关系。基于材料微结构演化的本构方程有助于更精确的理解材料的力学机制和失效机理。本文提出应用损伤 -耦合粘塑性本构模型分析共晶钎料在恒

25、应变条件下的应力响应, 考虑了孔洞演化对钎料力学行为的影响, 对于分析描述共晶钎料的粘塑性本构行为,并应用与电子封装焊点的可靠性模拟和分析是一种新的尝试。读书笔记七：电化学制备金锡合金薄膜技术研究刘欣,胡立雪,罗驰(中国电子科技集团公司第二十四研究所,重庆400060)电路板上的金锡薄膜是金锡合金的重要形态之一,主要用作焊料层。金锡薄膜的制备主要有以下几种方法:1)电子束蒸镀,即在基板上分别蒸镀金层和锡层,然后进行热处理,这是目前最主要的制备方法;2)金锡分层电镀,即采用湿法电镀的方式,在基板上分别电镀金层和锡层,然后进行热处理;3)合金电镀,即采用湿法电镀,直接在基板上电镀金锡共晶合金。其他

26、还有溅射、印刷等方式。在焊接过程中,薄膜发生共晶反应,在焊点处能够观察到相;其不足之处是有脆性的金属间化合物生成,并且可能出现Kirk-end all空洞。有研究者采用电镀金/锡的方法制备合金。为了获得共晶成分的合金,焊料层在使用前需要回流。回流步骤非常关键,过多的金可能导致形成树状结晶的相。这样,在焊接过程中需要的共晶成分就会更少。还有一些研究描述了交替蒸发金/锡多层膜的方法。共晶成分的形成需要在高温下进行快速扩散。表1总结了制备金锡薄膜的几种主要方法的优点和缺点。总结：共晶成分的金锡合金具有诸多优异性能,文章介绍了一种制备金锡合金的方法,采用该方法在陶瓷基体上面制备金锡薄膜焊料。对焊料的成

27、分进行了检测,对焊料的焊接性能和焊接可靠性进行了测试。金锡合金由于金含量很高,焊接时氧化程度低,因此可以实现免助焊剂焊接。这种特点对于光电子器件封装尤为重要,因为光电子器件在封装过程中一定要防止元器件受到污染,以免对其发光性能造成恶劣影响。金锡共晶钎料还有很多优点,比如:屈服强度高、导热性能好、适用于大功率器件封装、润湿性能好、电迁移现象不明显、抗腐蚀性能好、焊接强度高、没有明显的热疲劳、抗蠕变性能好等。读书笔记九：无氰金锡合金电镀液的成分优化及电流密度确定张福顺,黄明亮,潘剑灵,王来(大连理工大学材料科学与工程学院,大连116024)对锡原子分数为43.56%和46.91%的两种镀层进行XR

28、D分析,结果如图2所示,两种镀层的XRD谱中均只出现AuSn相的衍射峰,表明这两种镀层都由AuSn相组成。Kubota等在研究氰化金盐和焦磷酸亚锡的合金电镀液时发现,AuSn相出现在锡原子分数为40%处,认为这种电镀相与平衡相两者元素含量的不匹配主要是由于电沉积过程中阳离子还原时的放热行为引起的,随后镀层会经历一个急剧淬火的过程,最后得到的合金其实是一个过冷的固体。实际上,由于电镀过程的非平衡性,阴极界面处的离子浓度及阴极表面放电的均匀性等都会对镀层的成分产生影响,所以电镀到的镀层成分往往会稍稍偏离平衡点。图3是在蒸镀金种子层后,用光刻胶刻蚀出图形的硅片上共沉积得到的金-锡凸点,可见凸点直径为

29、100m,高度为56m,凸点边缘规整。图4表明,镀层中金元素与锡元素的变化均很小,镀层成分均匀性好。总结：金-锡共晶钎料具有优良的物理性能,已越来越多地应用于电子封装领域。电镀法制备钎料具有成本低廉、工艺简单、凸点定位精确以及可制作小尺寸凸点(微米级别)等优点,因此电镀法制备微系统电子封装用金-锡凸点的研究很有实际意义。读书笔记十：金-硅共晶焊工艺应用研究原辉（中国电子科技集团公司第43研究所，安徽合肥230088）在金属中添加某一成分可以降低整体的熔点，如图1所示。该混合物的熔化温度为E，低于A和B。这个最小值E就是共晶点，相应的混合物称为共晶体2，在此温度下合金不经过“泥浆相”直接从固相过

30、渡到液相。金-硅共晶焊不需借助其他焊料，利用金硅本身之间的共熔产生金-硅共熔合金，从而达到焊接的目的。众所周知，金的熔点1063，而硅的熔点更高，为1414。但是如果按照质量分数为3.24的硅和96.76的金组合，就能形成熔点为363的共晶合金体，这个共晶点是选择合适的焊接温度和对焊接深度进行控制的主要依据。图2是金-硅共熔相图。金-硅共晶焊接过程是在一定的温度（高于363）和一定的压力下，将硅芯片在镀金的载体上轻轻揉动摩擦，擦去界面不稳定的氧化层，芯片的硅与载体上的金紧密接触点首先共熔成液态的金硅合金，由二个固相形成一个液相，进一步扩大硅与金的接触面并共熔，直至整个接触面成液态的金硅合金。然

31、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-硅共熔晶体，从而使硅芯片牢固地焊接在载体上，并形成良好的低阻欧姆接触。金-硅共晶具有机械强度高、热阻小、稳定性好、可靠性高和含较少的杂质等优点，因而在微波等混合集成电路的芯片装配中得到了广泛的应用并备受高可靠器件封装的青睐。芯片与载体间良好的欧姆接触是保证功率器件正常工作的条件。欧姆接触不良会使器件热阻加大，散热不均匀，影响电流在器件中的分布，破坏器件的热稳定性，甚至使器件烧毁。半导体器件的散热有辐射、对流和传导三种方式，其中热传导是其散热的主要方式。以某混合集成电路中硅芯片的装配为例，图3是硅芯片装配模型，图4

32、是其热阻等效电路。其中j为管芯结温，c为底座温度，R1、R2、R3、R4、R5、R6和R7分别是芯片、Au-Si焊接层、钼片、界面焊料层、AlN基片、界面焊料层和可伐底座的热阻。总热阻R=R1+R2+R3+R4+R5+R6+R7。芯片集电结产生的热量主要通过硅片、焊接层、钼片、AlN基片传到可伐底座。Au-Si焊接层的虚焊和空洞是造成欧姆接触不良的主要原因，空洞会引起电流密集效应，在它四周有可能形成不可逆的破坏性的热电击穿，即二次击穿。焊接层的欧姆接触不良给器件的可靠性带来极大隐患。热应力失效这是一种由机械应力导致的失效。由于其失效的终极表现形式往往是焊接面裂纹或芯片剥裂，因而在这里把它归结为

33、微焊接失效模式之一来加以讨论。微电子器件的焊接界面是由性能各异的一些材料组成，如Si、AlN、Al2O3、BeO、Mo、WCu和可伐等。这些材料的热膨胀系数各不相同，如常用作底座的WCu其膨胀系数比Si晶体几乎大3倍。当它们结合在一起时，不同的材料界面间会存在压缩或拉伸应力。器件在工作期间往往要经受热循环，由于芯片和载体的热膨胀系数不同，在热循环过程中焊接面间产生周期性的剪切应力，这些应力将可能聚集在空洞的位置上使焊接层形成裂纹甚至使硅片龟裂，终极导致器件因热疲惫而失效3。金-硅共晶焊常用材料性能如表1所示。总结：在混合集成电路中，对芯片的贴装多采用导电胶粘接工艺，但是由于其电阻率大、导热系数低和损耗大，难以满足各方面的要求；另一方面导电胶随着时间的推移会产生性能退化，难以满足产品30年以上长期可靠性的要求。对于背面未制作任何金属化或仅仅制作了单层金的硅芯片又难以采用常规的焊接工艺进行贴装。硅芯片的贴装工艺金-硅共晶焊工艺，对两种主要失效模式和工艺实施过程中影响质量的因素以及解决办法进行了论述。19