Gold-Dosen-Eutektische Lötechnologie für GaAs-Leistungschips

Eutektisch bezieht sich auf das Phänomen der eutektischen Schmelze bei eutektischem Lot bei relativ niedrigen Temperaturen. Eutektische Legierungen wechseln direkt von fest zu flüssig, ohne durch die plastische Phase zu gehen, und ihre Wärmeleitfähigkeit, Widerstand, Scherkräfte, Zuverlässigkeit usw. sind überlegen im Vergleich zur traditionellen Epoxidverbindung.

Eutektisches Löten wird aufgrund seiner Vorteile wie hoher Lötstärke, starker Scherkräfte, niedrigem Kontaktwiderstand und hoher Wärmeübertragungsleistung in der Verbindung von hochfrequenten, leistungsstarken Bauelementen sowie LED-Bauelementen mit hohen Wärmeabfuhranforderungen weit verbreitet eingesetzt.

Die konventionelle automatische Oberflächenmontagemaschine hat einen Druckkontrollbereich von 10-250g und kann für jede Platzierung programmiert und gesteuert werden. Sie verfügt außerdem über ein Echtzeit-Druckrückführsystem, eine Impulsheizmethode und ein Echtzeit-Temperaturüberwachungssystem. Die Reinigung der Rohstoffe erfolgt mit einer UV-Ultraviolett-Reinigungsmaschine und einer BT-Plasmareinigungsmaschine.

Die Maschine platziert zuerst den Träger, das Lötblech und den Chip in der Reihenfolge auf dem Impulsheiztisch und verwendet Vakuumsauglöcher oder Halterungen, um den Träger festzuhalten. Wenn der Träger auf der Heizstufe positioniert ist, beginnt Stickstoffgas sich um die Heizstufe herum freizusetzen. Wenn der Chip auf das Lötblech gelegt wird, beginnt die Heizstufe gemäß der eingestellten Temperaturkurve zu heizen. Nachdem das Lot geschmolzen ist, streicht der Saugkopf den Chip, um das Lot vollständig zu benetzen. Parameter wie Schabfrequenz, Pfad, Amplitude, Druck usw. können eingestellt werden. Nachdem das abgekühlte Lot verfestigt hat, legt die Maschine die gebackenen Chips automatisch wieder in die Waffelbox zurück.

Für Versuchsmaterialien wurden verschiedene Größen von Gold-Zinn-Lot mechanisch mit einer Schneidmaschine geschnitten und anschließend mit Alkohol in einem Ultraschallbad gereinigt.

Der Träger hat eine 1:2:1 Cu/Mo/Cu-Form, wobei Ni, Pd und Au auf der Oberfläche gesputtert sind. Vor der Anwendung durchläuft er einen Prozess des Alkohol-ultraschall-Trocknens, UV-Reinigung und Plasma-Reinigung für den Rücklagengebrauch.

Der Chip verwendet einen GaAs-Leistungschip. Nach der Vorbereitung der Versuchsmaterialien werden sie in Form einer Waffelbox auf dem Fütterungsplateau der Oberflächenmontiermaschine platziert. Anschließend werden Temperaturenkurve, Druck, Kratzer usw. durch Programmierung kontrolliert. Der gesamte Eutektikprozess wird automatisch von der Oberflächenmontiermaschine abgeschlossen, was den Einfluss menschlicher Faktoren reduziert. Messen Sie die Scherkräfte nach Abschluss des Eutektikprozesses.

Versuchsergebnisse ：

Eutektik-Temperaturkurve-Einstellung:

Die eutektische Temperaturkurve umfasst hauptsächlich drei Phasen: Vorheizphase, Eutektikum-Phase und Abkühlphase. Die Hauptfunktion der Vorheizphase besteht darin, Wasserdampf im Inneren des Geräts zu entfernen und thermische Fehlanpassungsbelastungen zu reduzieren; Die Eutektikum-Phase ist hauptsächlich für die Bildung der geschmolzenen Legierung des Eutektikumschichts verantwortlich und stellt die wichtigste Phase im Eutektikum-Lötprozess dar; Die Abkühlphase ist der Prozess, das Gerät nach Abschluss des Eutektikums abzukühlen, und sowohl die Abkühltemperatur als auch die Abkühlrate können die Größe der verbleibenden Spannungen im Inneren des Geräts beeinflussen. Die typische Temperaturkurve ist in Abbildung 1 dargestellt.

T2 ist 30-60 Grad niedriger, T2 ist die eutektische Temperatur, T3 ist die Abkühltemperatur, die auf 200-260 Grad eingestellt werden kann. Aufgrund der erheblichen Auswirkungen der eutektischen Temperatur T2 auf die Qualität der eutektischen Schicht wurde ein Einzelfaktor-Vergleichsexperiment durchgeführt, um T2 zu bestimmen. Die Analyse der Versuchsergebnisse zeigt, dass bei einer Hehtable-Temperatur von 320 Grad das Lot vollständig geschmolzen ist und eine eutektische Verbindung hergestellt werden kann. Um die Benetzbarkeit und Fließeigenschaften des Gold-Zinn-Lotes zu erhöhen, wird die eutektische Temperatur während des Gold-Zinn-Eutektikumschweißvorgangs auf 320-330 Grad eingestellt.

Darüber hinaus wurden für die Haltezeit der eutektischen Temperatur T2 Vergleichsexperimente durchgeführt, wobei mittels Rasterelektronenmikroskopie die Mikrostruktur der eutektischen Schicht bei verschiedenen T2-Zeiten beobachtet wurde. Die Versuchsergebnisse sind in Abbildung 2 dargestellt.

Durch eine vergleichende Analyse wurde festgestellt, dass mit der Erhöhung der Eutektikumzeit die Dicke der IMC-Schicht allmählich von 0,373 µm auf 1,370 µm zunahm und das Wachstum der IMC-Dicke nach 160 Sekunden Eutektikum ablangsamte. Gemäß der Energiespektralanalyse bildet sich an der Löt-/Nickelgrenzfläche eine IMC-Kompositsschicht aus (Au, Ni) Sn und (Ni, Au) 3Sn2. Die Analyse zeigt, dass während des Eutektikumprozesses das Legierungselement Ni allmählich in die Au-Sn-Legierungsschicht diffundiert, was zur allmählichen Zunahme der (Au, Ni) Sn-Schicht führt, in der eine geringe Menge an Ni-Festlöstion in der Legierungsstruktur enthalten ist, was das Wachstum der IMC-Schicht verursacht.

Die Verbindung von heterogenen Metallen im Eutektikschweißen erfordert IMC, daher kann eine bestimmte Dicke der IMC-Schicht die Schweißeigenschaften verbessern. Die IMC-Schicht ist jedoch ein brüchiges Komplexverbindungen und eine zu dicke IMC-Schicht kann die Scherfestigkeit der Naht erheblich verringern. Um die Bildung einer angemessenen Dicke der IMC-Schicht sicherzustellen, wird die Gesamt-Eutektikzeit auf 2-3 Minuten begrenzt, wobei die Eutektikschmelzezeit zwischen 15-30 Sekunden liegt. Unter diesen Bedingungen kann die Dicke der IMC-Schicht zwischen 0,3-0,9 µm gehalten werden und die Scherfestigkeit des Eutektikchips überschreitet 9,15 Kgf.

Der Vorteil des eutektischen Lötvorgangs gegenüber der Epoxidverbindung liegt in seiner geringeren thermischen Widerstandsfähigkeit, die die Abkühlungsanforderungen von Hochleistungschips erfüllen kann. Daher ist der thermische Widerstand des eutektischen Lötvorgangs sehr wichtig. Der thermische Widerstand der eutektischen Lötstrukturen kann mit der Formel für den thermischen Widerstand analysiert werden: R = h/K·S, wobei R der Wert des thermischen Widerstands ist, h die Dicke der Lötenschicht, K die Wärmeleitfähigkeit von AuSn20-Lot und S der Querschnittsflächeninhalt des Lots.

Für den Gesamtstrukturellen thermischen Widerstand ist das Modell in Abbildung 3 dargestellt. Der Analyseprozess basiert auf dem Berechnungsmodell der Wärmeverbreitung im aktiven Bereich unter einem 45-Grad-Diffusionsplan, und der Querschnittsflächeninhalt wird auf Basis des effektiven Bereichs berechnet, das heißt nach dem Produkt aus Länge und Breite der mittleren Abschnitte der trapezförmigen Oberfläche.

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