Технология золото-оловянной эвтектической пайки для силовых чипов GaAs

Эвтектика относится к явлению эвтектического плавления в эвтектическом припое при относительно низких температурах. Эвтектические сплавы напрямую переходят из твердого состояния в жидкое, минуя пластическую стадию, и их теплопроводность, сопротивление, сhear force (силы сдвига), надежность и другие характеристики превосходят традиционную эпоксидную склейку.

Эвтектическая сварка широко применяется в соединении высокочастотных, высокомощных устройств и LED-устройств с высокими требованиями к теплоотведению благодаря преимуществам высокой прочности соединения, значительной силе сдвига, низкому сопротивлению контакта и высокой эффективности передачи тепла.

Традиционная автоматическая машина для поверхностного монтажа имеет диапазон контроля давления от 10 до 250 г, и может программироваться и управляться для каждой установки. Она также оснащена системой реального времени для обратной связи по давлению, методом импульсного нагрева и системой реального времени для контроля температуры. Очистка сырья осуществляется с помощью UV-ультрафиолетовой очисточной машины и BT-плазменной очисточной машины.

Сначала машина последовательно размещает носитель, припой и чип на импульсной нагревательной плите, используя вакуумные отверстия или фиксаторы для закрепления носителя. Когда носитель помещается на горячую платформу, начинает выделяться азот вокруг нее. Когда чип помещается на припоевую площадку, горячая плата начинает нагреваться согласно заданной температурной кривой. После того как припой расплавляется, присоска перемещает чип, чтобы полностью смочить припой. Параметры, такие как частота скrapывания, путь, амплитуда, давление и т.д., могут быть установлены. После того как охлажденный припой затвердевает, машина автоматически помещает спаянные чипы обратно в лоток-вафлю.

Для экспериментальных материалов различные размеры золото-свинцового припоя механически резались с помощью режущего станка, после чего проводилась ультразвуковая очистка спиртом.

Переносчик принимает форму 1:2:1 Cu/Mo/Cu, с напылением Ni, Pd и Au на поверхности. Перед применением он проходит процесс ультразвуковой сушки на спирту, ультрафиолетовой очистки и плазменной очистки для резервного использования.

Чип использует силовой чип GaAs. После подготовки экспериментальных материалов они размещаются в форме вафельной коробки на платформе подачи поверхностномонтажного оборудования. Затем температурная кривая, давление, царапины и другие параметры контролируются через программирование. Весь эвтектический процесс автоматически завершается поверхностномонтажным оборудованием, минимизируя влияние человеческого фактора. Измерьте силу среза после завершения эвтектического процесса.

Результаты эксперимента ：

Настройка кривой эвтектической температуры:

Кривая эвтектической температуры в основном включает три этапа: этап предварительного нагрева, эвтектический этап и этап охлаждения. Основная функция этапа предварительного нагрева заключается в удалении водяного пара внутри устройства и снижении термического напряжения; Эвтектический этап отвечает за образование расплавленной эвтектической слойки сплава и является самым важным этапом в процессе эвтектической сварки; Этап охлаждения представляет собой процесс охлаждения устройства после завершения эвтектики, и температура охлаждения, а также скорость влияют на величину остаточных напряжений внутри устройства. Типичная температурная кривая показана на рисунке 1.

T2 на 30-60 градусов ниже, T2 — это температура эвтектики, T3 — это температура охлаждения, которую можно установить в пределах 200-260 градусов. Из-за значительного влияния температуры эвтектики T2 на качество эвтектического слоя был проведен эксперимент с одним фактором для определения T2. Анализ результатов эксперимента показывает, что при температуре горячего стола 320 градусов припой полностью плавится и может быть выполнена эвтектическая сварка. Для увеличения смачиваемости и текучести золото-свинцового припоя температура эвтектики устанавливается в пределах 320-330 градусов во время золото-свинцовой эвтектической сварки.

Кроме того, для времени выдержки при температуре эвтектики T2 были проведены сравнительные эксперименты с использованием сканирующей электронной микроскопии для наблюдения микроструктуры эвтектического слоя при различных временах T2. Результаты эксперимента представлены на рисунке 2.

С помощью сравнительного анализа было установлено, что с увеличением времени эвтектического процесса толщина слоя МДФ постепенно возрастает от 0,373 мкм до 1,370 мкм, а рост толщины МДФ замедляется после 160 секунд эвтектики. Согласно результатам энергетического спектрального анализа, на границе пайки/никеля образуется композитный слой МДФ, состоящий из (Au, Ni) Sn и (Ni, Au) 3Sn2. Анализ показывает, что во время эвтектического процесса элемент никеля постепенно диффундирует в сплав Au Sn, что приводит к постепенному увеличению слоя (Au, Ni) Sn с небольшой концентрацией твердых растворов никеля в структуре сплава, что вызывает рост слоя МДФ.

Соединение различных металлов в эвтектической сварке требует МФК (металлического фазового компаунда), поэтому определенная толщина слоя МФК может способствовать улучшению качества сварки. Однако слой МФК является хрупким соединением, и чрезмерно толстый слой МФК может значительно снизить сhear strength (сдвиговую прочность) шва. Для обеспечения формирования подходящей толщины слоя МФК общее эвтектическое время контролируется на уровне 2-3 минуты, при этом время эвтектического плавления составляет 15-30 секунд. При этих условиях толщина слоя МФК может быть контролируема в пределах 0,3-0,9 мкм, а сдвиговая прочность эвтектического чипа превышает 9,15 кгс.

Преимущество эвтектической сварки по сравнению с эпоксидным склеиванием заключается в её меньшем тепловом сопротивлении, которое может удовлетворить требованиям по отведению тепла от высокомощных чипов. Таким образом, теплое сопротивление эвтектической сварки очень важно. Тепловое сопротивление эвтектических припоев можно анализировать с использованием формулы теплового сопротивления: R = h/K·S, где R — значение теплового сопротивления, h — толщина слоя припоя, K — теплопроводность припоя AuSn20, а S — поперечная площадь припоя;

Для общего структурного теплового сопротивления модель представлена на рисунке 3. Процесс анализа рассчитывается на основе диффузионной передачи тепла в активной области, согласно плану диффузии под углом 45 градусов, а площадь поперечного сечения рассчитывается на основе эффективной площади, то есть плана произведения длины и ширины средней части трапециевидной поверхности.

Заявление: Содержание данной статьи взято из Micro Assembly (семинара и обмена знаниями в области микросборки). Авторские права на текст, материалы, изображения и другой контент принадлежат оригинальному автору. Контент, воспроизведенный на этом сайте, предназначен для совместного использования и обучения всех желающих. Если законные права и интересы оригинального автора нарушаются, пожалуйста, сообщите нам незамедлительно, и мы организуем удаление соответствующего контента.