Tecnologia di Saldatura Eutettica Oro-Stagno per Chip di Potenza GaAs

Eutettico si riferisce al fenomeno della fusione eutettica nel saldataggio eutettico a temperature relativamente basse. Gli alleghi eutettici passano direttamente dallo stato solido allo stato liquido senza attraversare la fase plastica, e le loro proprietà di conducibilità termica, resistenza, forza tagliente, affidabilità, ecc. sono superiori al tradizionale legatura in epossidi.

Il saldataggio eutettico è ampiamente utilizzato nella saldatura di dispositivi ad alta frequenza, ad alta potenza e dispositivi LED con elevate esigenze di dissipazione del calore grazie ai suoi vantaggi di alta resistenza di saldatura, forte forza tagliente, bassa resistenza di connessione ed elevata efficienza di trasferimento del calore.

La macchina convenzionale per il montaggio superficiale automatico ha un intervallo di controllo della pressione di 10-250g e può essere programmata e controllata per ogni posizionamento. Dispone inoltre di un sistema di feedback della pressione in tempo reale, di un metodo di riscaldamento a impulsi e di un sistema di rilevamento della temperatura in tempo reale. La pulizia dei materiali avviene utilizzando una macchina di pulizia UV a ultravioletti e una macchina di pulizia a plasma BT.

La macchina prima posiziona il supporto, la piastra di saldatura e il chip sul tavolo di riscaldamento a impulso in sequenza, utilizzando fori di aspirazione o fissatori per bloccare il supporto. Quando il supporto viene posizionato sulla piattaforma calda, inizia a essere rilasciato gas azoto attorno alla piattaforma calda. Quando il chip viene posizionato sulla piastra di saldatura, la piattaforma calda inizia a riscaldarsi in base alla curva termica impostata. Dopo che il saldatore si è fuso, la testa di aspirazione raschia il chip per bagnare completamente il saldatore. I parametri come frequenza di raschiatura, percorso, ampiezza, pressione, ecc. possono essere impostati. Dopo che il saldatore raffreddato si è solidificato, la macchina ripone automaticamente i chip saldati nella scatola a griglia.

Per i materiali sperimentali, saldature oro-stagno di diverse dimensioni sono state tagliate meccanicamente utilizzando una macchina da taglio, seguite da una pulizia ultrasuoni con alcol.

Il supporto adotta una forma Cu/Mo/Cu 1:2:1, con Ni, Pd e Au spolverizzati sulla superficie. Prima dell'utilizzo, subisce un processo di essiccazione ultrasonica con alcol, pulizia ultravioletta e pulizia plasma per essere utilizzato come riserva.

Il chip adotta un chip a potenza GaAs. Dopo aver preparato i materiali sperimentali, vengono posizionati in forma di scatola a griglia sulla piattaforma di alimentazione della macchina da imballaggio superficiale. Successivamente, la curva di temperatura, la pressione, lo sfregamento e altri parametri vengono controllati tramite programmazione. L'intero processo eutettico viene completato automaticamente dalla macchina da imballaggio superficiale, riducendo l'influenza dei fattori umani. Misurare la forza di taglio dopo il completamento del processo eutettico.

Risultati sperimentali ：

Impostazione della curva di temperatura eutettica:

La curva di temperatura eutettica include principalmente tre fasi: fase di preiscaldamento, fase eutettica e fase di raffreddamento. La funzione principale della fase di preiscaldamento è rimuovere il vapore acqueo all'interno del dispositivo e ridurre lo stress di mismatch termico; La fase eutettica è responsabile principalmente della formazione del strato di lega fusa eutettica ed è la fase più importante nel processo di saldatura eutettica; La fase di raffreddamento è il processo di raffreddamento del dispositivo dopo il completamento dell'eutettico, e la temperatura di raffreddamento e la velocità influenzeranno l'entità dello stress residuo all'interno del dispositivo. La curva termica tipica è mostrata nella Figura 1.

T2 è di 30-60 gradi inferiore, T2 è la temperatura eutettica, T3 è la temperatura di raffreddamento, che può essere impostata tra 200-260 gradi. A causa dell'impatto significativo della temperatura eutettica T2 sulla qualità del strato eutettico, è stato condotto un esperimento comparativo monofattoriale per determinare T2. L'analisi dei risultati sperimentali mostra che quando la temperatura della tavola calda è di 320 gradi, la saldatura è completamente fusa e può essere effettuata la saldatura eutettica. Al fine di aumentare l'umidità e la fluidità della saldatura oro-stagno, la temperatura eutettica viene impostata a 320-330 gradi durante la saldatura eutettica oro-stagno.

Inoltre, per il tempo di permanenza alla temperatura eutettica T2, sono stati condotti esperimenti comparativi utilizzando la microscopia elettronica a scansione per osservare la microstruttura dello strato eutettico a diverse tempistiche di T2. I risultati sperimentali sono mostrati nella Figura 2.

Attraverso l'analisi comparativa, è stato scoperto che con l'aumentare del tempo eutettico, lo spessore del livello IMC aumenta gradualmente da 0,373 μm a 1,370 μm, e la crescita dello spessore IMC rallenta dopo 160 secondi di reazione eutettica. Secondo l'analisi spettrale, si forma un composto IMC costituito da (Au, Ni) Sn e (Ni, Au) 3Sn2 all'interfaccia tra saldatura e nichel. L'analisi mostra che durante il processo eutettico, l'elemento Ni dell'lega diffonde gradualmente nella struttura dell' lega Au Sn, causando un aumento della quantità di Ni in soluzione solidificata nella struttura dell' lega (Au, Ni) Sn, il che porta alla crescita dello strato IMC.

La connessione di metalli eterogenei nella saldatura eutettica richiede IMC, quindi uno spessore appropriato del livello di IMC può aiutare a migliorare la qualità della saldatura. Tuttavia, il livello di IMC è un composto fragile e uno spessore eccessivo di IMC può ridurre significativamente la resistenza al taglio del saldataggio. Per garantire la formazione di uno spessore appropriato del livello di IMC, il tempo complessivo di fusione eutettica viene controllato tra 2-3 minuti, con un tempo di fusione eutettica di 15-30 secondi. In queste condizioni, lo spessore del livello di IMC può essere controllato tra 0,3-0,9 µm e la resistenza al taglio del chip eutettico supera i 9,15 Kgf.

Il vantaggio del saldamento eutettico rispetto al legante epoxideo sta nella sua minore resistenza termica, che può soddisfare i requisiti di dissipazione del calore dei chip ad alta potenza. Pertanto, la resistenza termica del saldamento eutettico è molto importante. La resistenza termica delle strutture di saldatura eutettica può essere analizzata utilizzando la formula di resistenza termica: R = h/K.S, dove R è il valore della resistenza termica, h è lo spessore del strato di saldatura, K è la conducibilità termica del saldatore AuSn20 e S è l'area della sezione del saldatore;

Per la resistenza termica strutturale complessiva, il modello è mostrato nella Figura 3. Il processo di analisi è calcolato in base al trasferimento di calore per diffusione nell'area attiva, secondo un piano di diffusione di 45 gradi, e l'area della sezione è calcolata in base all'area effettiva, ovvero al prodotto tra lunghezza e larghezza del trapezio nella sezione centrale.

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