厚膜基板無焊料共晶貼裝方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種厚膜基板無焊料共晶貼裝方法，對基板進行加熱，使用芯片吸頭拾取芯片，并將芯片對準基板上的焊接區(qū)域，在焊接區(qū)域上按一定方向進行摩擦，直至芯片的硅材料與基板的金熔合形成金硅共晶體，冷卻后形成焊接界面。本發(fā)明實現(xiàn)無焊料的共晶焊焊接，有效的降低成本；芯片與基板直接熔合，具有較高的導電率和導熱率，改善了電路的性能，可以用于大功率電路；無須進行焊料的涂覆、印刷、焊片的裁剪，生產(chǎn)效率得以提高；芯片硅材料直接與基板導體熔合，具有較高的機械強度和長期可靠性，不會產(chǎn)生放氣和二次污染，可以用于高可靠性應用場合。
【專利說明】厚膜基板無焊料共晶貼裝方法
[0001]

【技術領域】
[0002]本發(fā)明涉及一種厚膜基板貼裝方法，屬于集成電路【技術領域】。

【背景技術】
[0003]傳統(tǒng)的厚膜基板芯片貼裝一般采用環(huán)氧樹脂粘接或焊料焊接的方法。環(huán)氧樹脂粘接是預先在粘接區(qū)域涂覆導電(或絕緣)的環(huán)氧樹脂，再將芯片貼裝在已涂覆好的環(huán)氧樹脂上，通過高溫固化使得芯片與基板結合在一起。焊料焊接是預先在焊接區(qū)域涂覆焊膏或放置預先裁剪好的焊片，再將芯片貼裝在焊膏/焊片上，通過高溫使焊料熔化，使得芯片與基板結合在一起。通常使用的焊料為錫基焊料。
[0004]缺點:環(huán)氧樹脂粘接粘接強度較小、電阻率、熱阻率較大，在使用過程中會出現(xiàn)劣化和放氣，在高可靠性應用場合如宇航產(chǎn)品被禁止使用。采用錫基焊料焊接為達到良好的焊接效果，必須使用助焊劑，助焊劑會污染電路其它部位；同時錫基焊料焊接時還容易產(chǎn)生錫珠飛濺，造成器件的短路和損壞，因此也不適用于高可靠性場合。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種厚膜基板無焊料共晶貼裝方法，克服環(huán)氧樹脂粘接和焊料焊接的方法缺陷。
[0006]為解決上述技術問題，本發(fā)明提供一種厚膜基板無焊料共晶貼裝方法，其特征是，包括以下步驟:
1)基板加熱:將基板加熱到金一硅共晶體臨界溫度以上；
2)拾取芯片:由貼裝設備上的芯片吸頭通過真空吸附拾取芯片；
3)摩擦貼裝:在基板的焊接區(qū)域上將芯片與基板進行摩擦，芯片的硅材料與基板的金熔合形成金一硅共晶體；
4)冷卻:冷卻后形成焊接界面，使芯片焊接至基板上。
[0007]所述芯片是硅材料，耐受最高450°C的溫度，芯片背面具有金保護層，金保護層厚度0.Ιμπι?0.3μ m,保護層與娃材料之間無其它阻擋層。
[0008]金導體衆(zhòng)料絲網(wǎng)印刷成膜，導體燒結膜厚5 μ m?12 μ m。
[0009]絲網(wǎng)印刷選用絲網(wǎng)的目數(shù)為300目?450目。
[0010]芯片的摩擦振幅設定為15 μ m?30 μ m，摩擦頻率設定為2?5次/每秒，單只芯片摩擦焊接時間不超過20秒。
[0011]基板加熱溫度設定為380°C?420°C。
[0012]貼裝設備采用噴氮氣對摩擦貼裝進行保護，氮氣流量設定為60 Ι/h?80 1/h。
[0013]所述基板為氧化鋁陶瓷基板或LTCC基板。
[0014]芯片吸頭為與芯片形狀相同的四邊形，朝向芯片的吸嘴貫穿面上設置通孔，采用真空吸附芯片；吸嘴貫穿面四邊連接2個或4個傾斜的側壁，側壁傾斜形成外大內(nèi)小的喇叭口形。
[0015]傾斜的側壁為2個時，2個側壁相對設置。
[0016]本發(fā)明所達到的有益效果:
1)本發(fā)明實現(xiàn)無焊料的共晶焊焊接，有效的降低成本。
2)芯片與基板直接熔合，具有較高的導電率和導熱率，改善了電路的性能，可以用于大功率電路。
[0017]3)無須進行焊料的涂覆、印刷、焊片的裁剪，生產(chǎn)效率得以提高。
[0018]4)芯片硅材料直接與基板上的導體熔合，具有較高的機械強度和長期可靠性，不會產(chǎn)生放氣和二次污染，可以用于高可靠性應用場合。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是采用摩擦金一硅共晶焊接方式示意圖；
圖2為2斜面吸頭；
圖3為4斜面吸頭；
圖4基板焊接區(qū)域設計圖；
圖5是技術實施流程框圖；
圖6是本發(fā)明在典型的組裝流中的位置示意圖。

【具體實施方式】
[0020]下面結合附圖對本發(fā)明作進一步描述。以下實施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護范圍。
[0021]本發(fā)明采用摩擦金一硅共晶方式實現(xiàn)芯片與厚膜基板的貼裝，是將基板I加熱到金一硅共晶臨界溫度以上，在共晶貼裝設備使用專用芯片吸頭3拾取芯片，在基板I上的焊接區(qū)域11上按一定方向進行摩擦(如圖1所示)，芯片2的硅材料與基板I的金熔合形成金硅共晶體，冷卻后形成牢固的焊接界面。金導體漿料印刷生成基板上的芯片焊接區(qū)域11。
[0022]I)貼裝設備的選擇:貼裝設備必須具備最高可加熱到450°C的加熱平臺，加熱平臺具有氣氛保護功能；設備可安裝專用芯片吸頭，吸頭組件可以進行一定頻率、一定幅度的摩擦動作。
[0023]2)專用芯片吸頭設計:專用芯片吸頭3為與芯片形狀相同的四邊形，吸頭朝向芯片的吸嘴貫穿面31上設置通孔311，通孔與真空系統(tǒng)(真空泵或管道真空)相連，通過該通孔采用真空吸附芯片。吸嘴貫穿面31的四個側壁32為斜面，并且斜面傾斜形成外大內(nèi)小的喇叭口形，斜面與芯片的側壁接觸時形成的是線接觸，即僅斜面與芯片邊緣相接觸，可以保證不損傷芯片表面，如圖3所示。在其他實施例中也可以采用2個相對的側壁32為斜面，與芯片的2個相對的邊緣相接觸。采用四邊接觸(如圖3)或兩邊接觸(如圖2)設計，便于在吸附芯片進行摩擦時，芯片不與吸嘴貫穿面進行面接觸，可以保證不損傷芯片表面。
[0024]專用芯片吸頭，采用夾持芯片邊緣的方法，可以有效拾取芯片并且不會損傷芯片表面。芯片吸頭具有加熱裝置，可以將芯片加熱到一定溫度(通常比基板加熱溫度低100°C?150°c)，在高溫加熱的厚膜基板上進行摩擦，芯片的硅與基板焊接區(qū)域的金形成金硅共晶體，冷卻后形成牢固的焊接界面。
[0025]2)芯片的要求:芯片必須是硅材料，可以耐受最高450°C的溫度，芯片背面具有金保護層，金保護層厚度0.1 μ m?0.3 μ m，防止硅材料氧化，并可以有效提高焊接時的浸潤性。保護層與硅材料之間無其它阻擋層。
[0026]3)基板焊接區(qū)域?qū)У脑O計:基板焊接導體采用金導體漿料絲網(wǎng)印刷成膜，選用絲網(wǎng)的目數(shù)為300目?450目，乳劑膜厚25μπι?40μπι，導體燒結膜厚為5μπι?12 μ m。導體圖形設計如圖4所示，焊區(qū)尺寸為(A+2C)X(B+2D)，其中A、B分別為芯片的長和寬，C、D分別為焊接區(qū)域每側超出芯片長和寬的距離，C、D 一般大于0.1mm。
[0027]4)基板加熱溫度及氣氛保護:基板加熱溫度設定為380°C?420°C，溫度的高低與芯片的尺寸成正比。為避免出現(xiàn)高溫氧化，采用噴氮氣保護(如有條件采用95%N2 + 5%H2)，氮氣流量設定為60 Ι/h?80 1/h。
[0028]5)貼裝工藝設計:摩擦貼裝振幅設定為15 μ m?30 μ m，摩擦頻率設定為2?5次/每秒，單只芯片摩擦焊接時間不超過20秒，電路一次整體焊接時間小于2分鐘。
[0029]本發(fā)明的貼裝方法流程如下:
如圖5所示，準備工作做好后，先對基板進行加熱，使用專用芯片吸頭拾取芯片，并將芯片對準基板上的焊接區(qū)域，在焊接區(qū)域上按一定方向進行摩擦，直至芯片的硅材料與基板的金熔合形成金硅共晶體，冷卻后形成焊接界面。
[0030]組裝順序的考慮:由于采用無焊料共晶貼裝操作溫度較高，因此其組裝順序排在首位，待其加工完成后在進行其它步驟的操作，以避免對其他元件造成不利影響，如圖6所示，按本發(fā)明的方法先進行無焊料共晶貼裝，再進行其它元件貼裝、元件與基板互聯(lián)，基板安裝、封蓋。
[0031]本發(fā)明主要工藝參數(shù)設計:
1)芯片材料:娃(Si),背面背金,金層厚度0.Ιμ--?0.3μηι;
2)基板類型:氧化鋁(Al2O3)陶瓷、LTCC；
3)基板導帶:金導體、印刷成膜，導體膜厚5μ m?12 μ m ;
4)基板加熱溫度:390°C?420°C；
5)單只芯片焊接時間；10s?20s。
[0032]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變形，這些改進和變形也應視為本發(fā)明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種厚膜基板無焊料共晶貼裝方法，其特征是，包括以下步驟: 1)基板加熱:將基板加熱到金一硅共晶體臨界溫度以上； 2)拾取芯片:由貼裝設備上的芯片吸頭夾持芯片邊緣，通過真空吸附拾取芯片； 3)摩擦貼裝:在基板的焊接區(qū)域上將芯片與基板進行摩擦，芯片的硅材料與基板的金熔合形成金一硅共晶體； 4)冷卻:冷卻后形成焊接界面，使芯片焊接至基板上。
2.根據(jù)權利要求1所述的厚膜基板無焊料共晶貼裝方法，其特征是，所述芯片是硅材料，耐受最高450°C的溫度，芯片背面具有金保護層，金保護層厚度0.1 μ m?0.3 μ m，保護層與硅材料之間無其它阻擋層。
3.根據(jù)權利要求1所述的厚膜基板無焊料共晶貼裝方法，其特征是，基板的焊接區(qū)域上，由金導體漿料絲網(wǎng)印刷成膜，導體燒結膜厚5 μ m?12 μ m。
4.根據(jù)權利要求3所述的厚膜基板無焊料共晶貼裝方法，其特征是，絲網(wǎng)印刷選用絲網(wǎng)的目數(shù)為300目?450目。
5.根據(jù)權利要求1所述的厚膜基板無焊料共晶貼裝方法，其特征是，芯片的摩擦振幅設定為15 μ m?30 μ m，摩擦頻率設定為2?5次/每秒，單只芯片摩擦焊接時間不超過20秒。
6.根據(jù)權利要求1所述的厚膜基板無焊料共晶貼裝方法，其特征是，基板加熱溫度設定為 380°C?420°C。
7.根據(jù)權利要求1所述的厚膜基板無焊料共晶貼裝方法，其特征是，貼裝設備采用噴氮氣對摩擦貼裝進行保護，氮氣流量設定為60 Ι/h?80 1/h。
8.根據(jù)權利要求1所述的厚膜基板無焊料共晶貼裝方法，其特征是，所述基板為氧化鋁陶瓷基板或LTCC基板。
9.根據(jù)權利要求1所述的厚膜基板無焊料共晶貼裝方法，其特征是，芯片吸頭為與芯片形狀相同的四邊形，朝向芯片的吸嘴貫穿面上設置通孔，采用真空吸附芯片；吸嘴貫穿面四邊連接2個或4個傾斜的側壁，側壁傾斜形成外大內(nèi)小的喇叭口形。
10.根據(jù)權利要求1所述的厚膜基板無焊料共晶貼裝方法，其特征是，傾斜的側壁為2個時，2個側壁相對設置。
【文檔編號】H01L21/60GK104319242SQ201410579029
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月27日 優(yōu)先權日:2014年10月27日
【發(fā)明者】李 杰, 車勤, 陳希龍, 劉昕 申請人:中國兵器工業(yè)集團第二一四研究所蘇州研發(fā)中心