替代氢气炉进行芯片烧结的方法技术

本发明专利技术公开了一种替代氢气炉进行芯片烧结的方法，涉及硅半导体器件芯片的烧结方法技术领域。包括以下步骤：1）对硅片的背面进行金属化处理；2）当加热平台处于恒温时，将封装载体置于充满保护气的加热平台内进行预热；3）将进行背面金属化处理后的硅芯片放置到封装载体的指定烧结区上；4）在上述硅芯片的表面施加超声能量，使硅不断地扩散到芯片背面和烧结区的金属层中，实现硅与背面和烧结区金属的紧密结合；5）将烧结好的产品从加热平台上取下，按阶梯降温原则降温至室温，完成烧结过程。所述方法具有操作简单，生产效率高，可靠性好，危险系数低，适用于深腔、小壳体、小面积芯片的烧结，实现了产品生产的安全、可靠和高效。

【技术实现步骤摘要】
替代氢气炉进行芯片烧结的方法
本专利技术涉及硅半导体器件芯片的烧结方法
，尤其涉及一种使用安全、烧结效果好的芯片烧结方法。
技术介绍
对于双极型功率器件来说，芯片与封装载体基片间良好的欧姆接触是保证功率器件正常工作的前提。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和长期可靠性，甚至使器件烧毁。共晶烧结法具有机械强度高、热阻小、稳定性好、可靠性高和含较少的杂质等优点，因而在微波功率器件和组件的芯片装配中得到了广泛的应用并备受高可靠器件封装业的青睐。长期以来，受到管壳尺寸的限制，对于小功率器件和单片电路的烧结，国内一直延用传统的低温炉氢气烧结方式，此种烧结方式生产的产品表面状况较差，芯片划伤、崩边、沾污严重，对工艺操作人员的操作技能要求很高，造成生产效率和产品成品率较低；由于烧结时氢气尾气采用明火封口，尤其是在密封厂房中使用此种烧结方式，具有很大的危险隐患。随着产品批量生产的需要，寻找其它的途径进行烧结成为当务之急。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种替代氢气炉进行芯片烧结的方法，所述方法利用温度和超声能量实现金属半导体的共晶烧结，具有操作简单，生产效率高，可靠性好，危险系数低，适用于深腔、小壳体、小面积芯片的烧结，实现了产品生产的安全、可靠和高效。为解决上述技术问题，本专利技术所采取的技术方案是：一种替代氢气炉进行芯片烧结的方法，其特征在于包括以下步骤：1）对硅片的背面进行金属化处理；2）当加热平台处于恒温时，将封装载体置于充满保护气的加热平台内进行预热，预热温度控制在400℃-410℃之间；3）将进行背面金属化处理后的硅芯片放置到封装载体的指定烧结区上；4）在上述硅芯片的表面施加超声能量，使硅不断地扩散到芯片背面和烧结区的金属层中，实现硅与背面和烧结区金属的紧密结合；5）将烧结好的产品从加热平台上取下，按阶梯降温原则降温至室温，完成烧结过程。进一步优选的技术方案在于：硅芯片背面的金属为金砷合金。进一步优选的技术方案在于：硅片背面的金属厚度为4000-9000。进一步优选的技术方案在于：所述保护气体为N2或惰性气体。进一步优选的技术方案在于：所述硅片的大小为0.09mm2-0.36mm2。进一步优选的技术方案在于：超声功率为:500～600mW；施加超声的时间为：300ms～500ms；超声可延迟时间为：5000ms～7000ms；保护气体流量：2.5scfh～3.0scfh。进一步优选的技术方案在于：封装载体与芯片对应位置的金层厚度为2.5μm-5μm。采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述方法利用温度和超声能量实现金属半导体的共晶烧结，具有操作简单，生产效率高，可靠性好，危险系数低，适用于深腔、小壳体、小面积芯片的烧结，实现了产品生产的安全、可靠和高效。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。图1是金硅二元相图。具体实施方式本专利技术主要适用于金硅共晶烧结，虽然单独的硅和单独的金熔点都很高，超过1000℃，但它们有一个低共熔点共晶体温度363℃，这一共晶点含3%的硅，通过金硅二元相图，可以明显看出来，如图1所示。选择的超声烧结温度应高于这一温度，且考虑到热量在传递过程中是有损失的，因而在实际工作中，烧结温度一般选择在400℃～410℃。本领域技术人员可以得知，烧结温度要根据管壳的材料、大小、热容量的不同进行相应调整。超声功率、超声时间也要根据芯片大小等情况进行调整，同时需要结合剪切力和芯片表面破损情况等情况进行不断优化，超声能量过大，容易造成芯片破损、沾污。当硅芯片放在管壳烧结区上加热到共熔体温度以上时，硅原子就扩散到金中，到达共熔体的组成并且开始熔化，这时在芯片表面施加一定的超声能量，硅不断地扩散到金中，液相前沿就进入金中而实现金硅的紧密结合。为了防止硅在加热的过程中氧化，烧结往往在氮气的保护中进行。为保证超声烧结的质量，要求管芯烧结处的封装载体的金层厚度在2.5μm-5μm，对于芯片尺寸处在0.09mm2-0.36mm2的硅芯片来讲，选择的工艺参数如下：温度:400℃～410℃；功率:500～600mW；时间：300ms～500ms；延迟时间：5000ms～7000ms；气体流量：2.5scfh～3.0scfh（标准立方英尺/小时）。在Au-Si共晶温度下，Si会穿透金层而氧化生成SiO2，这层SiO2会使焊接浸润不均匀，导致焊接强度下降。即使在室温下，硅原子也会通过晶粒间的扩散缓慢移动到金层表面。因此，在焊接时保护气体N2（或其他适合作为保护气体的气体）必须保证足够的流量。同时，由于硅芯片背面容易生成有氧化层，其厚度可以达到5nm，阻碍了金硅共晶体的形成，为了防止氧化层的干扰，在芯片的背面预先镀一层金。在本专利技术中，改变了原工艺使用焊料进行合金烧结的方法，采用芯片背面金属化，不需焊料直接进行合金烧结，从而避免了硅芯片背面在存放过程及烧结过程中氧化的问题。壳体烧结区镀金太厚造成浪费，太薄则形成合金不理想。超声烧结振动幅度小，烧结的管芯尺寸也相对较小，在本项目研究中，采用不同镀金层厚度的壳体进行烧结，通过剪切力测试和内部目检，选择了合适的镀金层厚度。当壳体烧结区金层厚度大于等于2.5μm时可满足烧结要求。以上是本专利技术的核心思想，下面结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本专利技术，但是本专利技术还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本专利技术内涵的情况下做类似推广，因此本专利技术不受下面公开的具体实施例的限制。实施例一一种替代氢气炉进行芯片烧结的方法，包括以下步骤：1）对硅片的背面进行金属化处理，形成硅芯片，硅芯片背面的金属为金砷合金，硅片背面的金属厚度为4000；2）当加热平台处于恒温时，将封装载体置于充满N2气（或其他保护气体）的加热平台内进行预热，预热温度400°，保护气体流量为2.5scfh；3）将进行背面金属化处理后的硅片放置到封装载体的指定烧结区上，封装载体与芯片对应位置的金层厚度为2.5μm；4）在上述硅芯片的表面施加超声能量，使硅不断地扩散到背面的金属层中，实现背面金属与硅的紧密结合，超声功率为:500～600mW；施加超声的时间为：300ms～500ms；超声可延迟时间为：5000ms～7000ms；5）将烧结好的硅芯片从加热平台上取下，按阶梯降温原则降温至室温，完成烧结过程。实施例二一种替代氢气炉进行芯片烧结的方法，包括以下步骤：1）对硅片的背面进行金属化处理，形成硅芯片，硅芯片背面的金属为金砷合金，硅片背面的金属厚度为9000；2）当加热平台处于恒温时，将封装载体置于充满N2气（或其他保护气体）的加热平台内进行预热，预热温度410°，保护气体流量为3.0scfh；3）将进行背面金属化处理后的硅片放置到封装载体的指定烧结区上，封装载体与芯片对应位置的金层厚度为5μm；4）在上述硅芯片的表面施加超声能量，使硅不断地扩散到本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种替代氢气炉进行芯片烧结的方法，其特征在于包括以下步骤：1）对硅片的背面进行金属化处理，形成备用硅芯片；2）当加热平台处于恒温时，将封装载体置于充满保护气的加热平台内进行预热，预热温度控制在400℃‑410℃之间；3）将进行背面金属化处理后的硅芯片放置到封装载体的指定烧结区上；4）在上述硅芯片的表面施加超声能量，使硅不断地扩散到芯片背面和烧结区的金属层中，实现硅与背面和烧结区金属的紧密结合；5）将烧结好的产品从加热平台上取下，按阶梯降温原则降温至室温，完成烧结过程。

【技术特征摘要】
1.一种替代氢气炉进行芯片烧结的方法，其特征在于包括以下步骤：1）对硅片的背面进行金属化处理，形成备用硅芯片，硅芯片背面的金属为金砷合金，厚度为4000Å-9000Å，所述硅芯片的大小为0.09mm2-0.36mm2；2）当加热平台处于恒温时，将封装载体置于充满保护气的加热平台内进行预热，预热温度控制在400℃-410℃之间，所述保护气体为N2或惰性气体；3）将进行背面金属化处理后的硅芯片放置到封装载体的指定烧结区...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘茹，黄雒光，潘仙玲，程春红，许洋，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第十三研究所，
类型：发明
国别省市：河北;13