專利名稱：一種銀硅共晶焊接芯片的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種銀硅共晶焊接芯片的方法，該方法無需采用焊片進行導體器件的焊接方法，屬于芯片焊接技術領域。
背景技術：
芯片焊接是指半導體芯片與載體(封裝殼體或基片)形成牢固的、傳導性或絕緣性連接的方法。其方法可分為樹脂粘接法和金屬合金焊接法。樹脂粘接法由于其熱阻及電阻均較大，一般不適合于功率型器件的焊接。金屬合金焊接主要是指芯片在一定的壓力下，當溫度高于共晶溫度時，合金融化成液態(tài)的共熔體；冷卻后，當溫度低于共晶溫度時，共熔體由液相變?yōu)橐跃ЯＰ问交ハ嘟Y(jié)合的機械混合物，從而形成了牢固的歐姆接觸焊接面。目前金屬合金焊接的方法主要有兩種一種是以焊片的形式將半導體芯片焊接到載體上，即在芯片與載體間放置一定焊片，待焊片溫度升到一定時，融化成為液態(tài)，最后降溫，芯片與載體焊接到一起。根據(jù)所使用的焊片的成分形狀等不同，一般加熱的溫度與時間也有所區(qū)別，一般常用焊片的主體成分包括金硅、金鍺、金錫、鉛錫及銀銅等，而為了提升焊接效果、導電及導熱性能，還會在焊片中添加錫、銦、鋅、磷及鎳等元素。另一種金屬合金焊接的方法是不采用焊片，而是利用芯片與載體表面的金屬層的性能，在摩擦、超聲、壓力等形式能量的作用下，直接焊接到一起，比較典型的應用是晶硅摩擦共晶焊接。芯片在一定的壓力下，附以摩擦或超聲，界面的金層與硅形成金硅合金共熔體，冷卻后形成焊接。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決樹脂粘接法由于其熱阻及電阻均較大，不適于功率型器件的焊接以及金屬合金焊接法金硅焊接溫度低無法滿足后續(xù)高溫操作的問題，提出一種銀硅共晶焊接芯片的方法，該方法為無焊片方法，有效的控制了焊接區(qū)域焊料融化的范圍。本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的。本發(fā)明的一種銀硅共晶焊接芯片的方法，芯片在一定的壓力下，當溫度高于共晶溫度835度時，銀硅合金融化成液態(tài)的銀硅共熔體；冷卻后，當溫度低于共晶溫度835度時，銀硅共熔體由液相變?yōu)橐跃ЯＰ问交ハ嘟Y(jié)合的機械混合物，即銀硅共熔晶體而全部凝固，從而形成了牢固的歐姆接觸焊接面，該方法的具體步驟為I)將待焊接芯片的一側(cè)進行金屬化處理；2)將載體的一側(cè)進行金屬化處理；3)將待焊接芯片疊放在載體上，給待焊接芯片表面施加配重，然后放入高溫爐中；4)將高溫爐升高至合適溫度，并保持一定時間后降溫至室溫，完成焊接。所述步驟I)中金屬化處理是指生長金屬層，金屬層為三層第一層為鈦，厚度為1500 2000埃米；第二層為鎳，厚度為2000 3000埃米；第三層為銀，厚度為50000 80000埃米；生長金屬層的方法采用濺射或蒸發(fā)的方法；
所述步驟2)將金屬化處理是指生長金屬層，金屬層為兩層第一層為鎳，厚度為3000 8000埃米；第二層為銀，厚度為70000 100000埃米；生長金屬層的方法采用濺射、蒸發(fā)、電鍍或者化學鍍的方法；所述步驟3)將芯片疊放在載體上是指將芯片與載體金屬化處理后的兩個面接觸在一起；所述步驟3)施加配重根據(jù)待焊接芯片面積大小決定，按照每平方毫米的待焊接芯片的面積施加配重的質(zhì)量為O. 5 I. 2g ;所述步驟4)合適溫度為890 970°C ；所述步驟(4)保持一定時間為5 8min。有益效果本發(fā)明的方法采用銀硅共晶焊接可以將工藝溫度提高至890 970°C，為后續(xù)的高溫操作提供了大的工藝窗口 ；焊接時，不放置焊片，利用芯片與載體的金屬結(jié)構進行焊接，有效的控制了焊料的融化范圍。


圖I是實施例中焊接好的硅芯片的截面結(jié)構示意圖；圖2是實施例I中焊接截面效果圖；圖3是銀硅二元相圖；其中，I-配重，2-芯片，3-芯片鈦金屬層，4-芯片鎳金屬層，5-芯片銀金屬層，6-載體銀金屬層，7-載體鎳金屬層,8-載體,9-芯片的表面，10-芯片鈦金屬層的表面，11-芯片鎳金屬層的表面，12-芯片銀金屬層的表面，13-載體銀金屬層的表面，14-載體鎳金屬層的表面，15-載體的表面。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步說明。實施例I銀硅共晶焊接硅芯片的方法，具體步驟為I)將待焊接的硅芯片的表面9上采用濺射的方法生長一層芯片鈦金屬層3，其厚度為1500埃米，然后在芯片鈦金屬層的表面10上采用濺射的方法生長一層芯片鎳金屬層4，其厚度為2000埃米，最后在芯片鎳金屬層的表面11上采用濺射的方法生長一層芯片銀金屬層5，其厚度為50000埃米；2)將載體的表面15上采用濺射的方法生長一層載體鎳金屬層7，其厚度為3000埃米，然后在載體鎳金屬層的表面14上采用濺射的方法生長一層載體銀金屬層6，其厚度為70000埃米；3)將步驟I)處理后的硅芯片2疊放在步驟2)處理后的載體8上，使芯片銀金屬層的表面12與載體銀金屬層的表面13接觸；然后將配重I置于芯片2的上表面處，使芯片銀金屬層的表面12與載體銀金屬層的表面13緊密接觸在一起；最后將配重I、芯片2和載體3 —起放入高溫爐中進行高溫焊接；高溫爐的溫度程序為首先將爐溫以15°C /min的速率升溫至890°C，保溫8min，然后以60°C /min的速率降溫至室溫，完成焊接，得到焊接好的硅芯片，然后對硅芯片進行劃分，得到獨立的硅芯片；其截面結(jié)構示意圖如圖I所示，截面效果圖如圖2所示，從圖2中可以看出，在芯片與載體之間存在一個厚度為8 15 μ m的焊接過渡區(qū)域，其左側(cè)為載體，右側(cè)為硅芯片；此區(qū)域的主要成分為銀硅。上述硅芯片2的表面積為2mm2 ;上述配重I的質(zhì)量為2g ；上述步驟3)中在降溫過程中通入氮氣，以加快爐體的冷卻速率；上述的載體8為金屬鑰；上述方法的理論根據(jù)是銀硅二元相圖如圖3所 示，從圖3中可知，銀硅兩種元素共晶溫度點是835度，利用元素間這一特點，控制溫度在835度以上，可以實現(xiàn)焊接。實施例2銀硅共晶焊接硅芯片的方法，具體步驟為I)將待焊接的硅芯片的表面9上采用蒸發(fā)的方法生長一層芯片鈦金屬層3，其厚度為2000埃米，然后在芯片鈦金屬層的表面10上采用蒸發(fā)的方法生長一層芯片鎳金屬層4，其厚度為3000埃米，最后在芯片鎳金屬層的表面11上采用蒸發(fā)的方法生長一層芯片銀金屬層5，其厚度為80000埃米；2)將載體的表面15上米用電鍍的方法生長一層載體鎳金屬層7,其厚度為8000埃米，然后在載體鎳金屬層的表面14上采用電鍍的方法生長一層載體銀金屬層6，其厚度為100000埃米；3)將步驟I)處理后的硅芯片2疊放在步驟2)處理后的載體8上，使芯片銀金屬層的表面12與載體銀金屬層的表面13接觸；然后將配重I置于芯片2的上表面處，使芯片銀金屬層的表面12與載體銀金屬層的表面13緊密接觸在一起；最后將配重I、芯片2和載體3 —起放入高溫爐中進行高溫焊接；高溫爐的溫度程序為首先將爐溫以15°C /min的速率升溫至970°C，保溫5min，然后以60°C /min的速率降溫至室溫，完成焊接，得到焊接好的硅芯片，然后對硅芯片進行劃分，得到獨立的硅芯片；其截面結(jié)構示意圖如圖I所示。上述硅芯片2的表面積為2mm2 ;上述配重I的質(zhì)量為2. 4g ；上述步驟3)中在降溫過程中通入氮氣，以加快爐體的冷卻速率；上述的載體8為金屬鑰。實施例3銀硅共晶焊接硅芯片的方法，具體步驟為I)將待焊接的硅芯片的表面9上采用濺射的方法生長一層芯片鈦金屬層3，其厚度為1800埃米，然后在芯片鈦金屬層的表面10上采用濺射的方法生長一層芯片鎳金屬層4，其厚度為2500埃米，最后在芯片鎳金屬層的表面11上采用濺射的方法生長一層芯片銀金屬層5，其厚度為60000埃米；2)將載體的表面15上采用化學鍍的方法生長一層載體鎳金屬層7，其厚度為6000埃米，然后在載體鎳金屬層的表面14上采用化學鍍的方法生長一層載體銀金屬層6，其厚度為90000埃米；3)將步驟I)處理后的硅芯片2疊放在步驟2)處理后的載體8上，使芯片銀金屬層的表面12與載體銀金屬層的表面13接觸；然后將配重I置于芯片2的上表面處，使芯片銀金屬層的表面12與載體銀金屬層的表面13緊密接觸在一起；最后將配重I、芯片2和載體3 —起放入高溫爐中進行高溫焊接；高溫爐的溫度程序為首先將爐溫以15°C /min的速率升溫至920°C，保溫6min，然后以60°C /min的速率降溫至室溫，完成焊接，得到焊接好的硅芯片，然后對硅芯片進行劃分，得到獨立的硅芯片；其截面結(jié)構示意圖如圖I所示。 上述硅芯片2的表面積為2mm2 ;上述配重I的質(zhì)量為Ig ；上述步驟3)中在降溫過程中通入氮氣，以加快爐體的冷卻速率；上述的載體8為金屬鑰。
權利要求
1.一種銀硅共晶焊接芯片的方法，其特征在于該方法的具體步驟為 1)將待焊接芯片的一側(cè)進行金屬化處理； 2)將載體的一側(cè)進行金屬化處理； 3)將待焊接芯片疊放在載體上，即將待焊接芯片與載體金屬化處理后的兩個面接觸在一起；然后給待焊接芯片表面施加配重，最后放入高溫爐中； 4)將高溫爐升高至890 970°C，并保持5 8min后降溫至室溫，完成焊接。
2.根據(jù)權利要求I所述的一種銀硅共晶焊接芯片的方法，其特征在于步驟I)中金屬化處理是指生長金屬層，金屬層為三層第一層為鈦，厚度為1500 2000埃米；第二層為鎳，厚度為2000 3000埃米；第三層為銀，厚度為50000 80000埃米；生長金屬層的方法采用濺射或蒸發(fā)的方法。
3.根據(jù)權利要求I所述的一種銀硅共晶焊接芯片的方法，其特征在于步驟2)將金屬化處理是指生長金屬層，金屬層為兩層第一層為鎳，厚度為3000 8000埃米；第二層為銀，厚度為70000 100000埃米；生長金屬層的方法采用濺射、蒸發(fā)、電鍍或者化學鍍的方法。
4.根據(jù)權利要求I所述的一種銀硅共晶焊接芯片的方法，其特征在于步驟3)施加配重根據(jù)待焊接芯片面積大小決定，按照每平方毫米的待焊接芯片面積施加配重的質(zhì)量為.O. 5 I. 2g0
全文摘要
本發(fā)明涉及一種銀硅共晶焊接芯片的方法，該方法無需采用焊片進行導體器件的焊接方法，屬于芯片焊接技術領域。將待焊接芯片的一側(cè)進行金屬化處理；將載體的一側(cè)進行金屬化處理；將待焊接芯片疊放在載體上，給待焊接芯片表面施加配重，然后放入高溫爐中；將高溫爐升高至合適溫度，并保持一定時間后降溫至室溫，完成焊接。本發(fā)明的方法采用銀硅共晶焊接可以將工藝溫度提高至890～970℃，為后續(xù)的高溫操作提供了大的工藝窗口；焊接時，不放置焊片，利用芯片與載體的金屬結(jié)構進行焊接，有效的控制了焊料的融化范圍。
文檔編號H01L21/60GK102956515SQ20121037548
公開日2013年3月6日 申請日期2012年9月29日 優(yōu)先權日2012年9月29日
發(fā)明者木瑞強, 吳鵬, 練濱浩, 姚全斌 申請人:北京時代民芯科技有限公司, 北京微電子技術研究所