เทคโนโลยีการ땜ด้วยโลหะผสมยูเท็คติกทองคำ-สังกะสีสำหรับชิปพลังงาน GaAs

ยูเท็คติกหมายถึงปรากฏการณ์ของการหลอมเหลวแบบยูเท็คติกใน땜ตะกั่วที่อุณหภูมิต่ำกว่าปกติ โลหะผสมชนิดยูเท็คติกจะเปลี่ยนจากของแข็งเป็นของเหลวโดยตรง โดยไม่ผ่านขั้นตอนพลาสติก และคุณสมบัติเช่น การนำความร้อน ความต้านทาน แรงเฉือน และความน่าเชื่อถือ เป็นต้น มีประสิทธิภาพเหนือกว่าการเชื่อมด้วยเรซินแบบเดิม

การเชื่อมแบบยูเท็คติกได้รับการใช้งานอย่างแพร่หลายในการเชื่อมชิ้นส่วนที่ทำงานความถี่สูง กำลังไฟสูง และอุปกรณ์ LED ที่มีความต้องการในการระบายความร้อนสูง เนื่องจากมีข้อดี เช่น ความแข็งแรงในการเชื่อม แรงเฉือนที่สูง อุปสรรคต่อการเชื่อมต่ำ และประสิทธิภาพในการถ่ายโอนความร้อนสูง

เครื่องติดตั้งผิวอัตโนมัติทั่วไปมีช่วงควบคุมแรงดันระหว่าง 10-250g และสามารถโปรแกรมและควบคุมได้สำหรับแต่ละครั้งที่วางชิ้นส่วน นอกจากนี้ยังมีระบบตอบกลับแรงดันแบบเรียลไทม์ วิธีการให้ความร้อนแบบชั้นพัลส์ และระบบตรวจจับอุณหภูมิแบบเรียลไทม์ การทำความสะอาดวัตถุดิบใช้เครื่องทำความสะอาดด้วยรังสี UV ยูวี และเครื่องทำความสะอาดพลาสมา BT

เครื่องจะวางพาเลท แผ่น땜 และชิปบนโต๊ะความร้อนแบบพัลส์ตามลำดับ และใช้รูดูด Vacum หรืออุปกรณ์ยึดเพื่อกำหนดตำแหน่งพาเลท เมื่อพาเลทถูกวางบนโต๊ะความร้อน แก๊สนิโตรเจนจะเริ่มปล่อยออกมารอบๆ โต๊ะความร้อน เมื่อชิปถูกวางบนแผ่น땜 โต๊ะความร้อนจะเริ่มทำความร้อนตามเส้นโค้งอุณหภูมิที่ตั้งไว้ เมื่อ땜หลอมเหลว เข็มดูดจะขูดชิปเพื่อให้땜เปียกอย่างสมบูรณ์ สามารถตั้งค่าพารามิเตอร์ เช่น ความถี่ในการขูด ทางเดิน แอมพลิจูด แรงดัน เป็นต้น เมื่อ땜เย็นลงและแข็งตัว เครื่องจะนำชิปที่เผาแล้วกลับใส่กล่องวาฟเฟิลอัตโนมัติ

สำหรับวัสดุทดลอง โลหะ땜ทอง-ตะกั่วในขนาดต่างๆ จะถูกตัดด้วยเครื่องตัด จากนั้นทำความสะอาดด้วยอัลตราโซนิกด้วยแอลกอฮอล์

ตัวพาหะมีรูปแบบ Cu/Mo/Cu ที่สัดส่วน 1:2:1 โดยมี Ni, Pd และ Au ถูกเคลือบผิวด้วยกระบวนการพัลเซอร์ ก่อนการใช้งาน จะผ่านกระบวนการอบแห้งด้วยอัลตราโซนิกแอลกอฮอล์ การทำความสะอาดด้วยรังสีอัลตราไวโอเล็ต และการทำความสะอาดด้วยพลาสมาเพื่อเตรียมสำรองไว้ใช้งาน

ชิปใช้ชิปพลังงาน GaAs เมื่อเตรียมวัสดุทดลองเสร็จเรียบร้อยแล้ว จะวางในรูปแบบกล่องวาฟเฟิลบนโต๊ะให้อาหารของเครื่องติดตั้งผิว จากนั้นควบคุมเส้นโค้งอุณหภูมิ อัตราดัน รอยขีดข่วน และพารามิเตอร์อื่น ๆ ผ่านโปรแกรม การเชื่อมแบบยูเท็กติกทั้งหมดจะเสร็จสมบูรณ์โดยอัตโนมัติผ่านเครื่องติดตั้งผิว ลดผลกระทบจากปัจจัยมนุษย์ การวัดแรงเฉือนหลังจากการเชื่อมยูเท็กติกเสร็จสิ้น

ผลการทดลอง ：

การตั้งค่าเส้นโค้งอุณหภูมิยูเท็กติก:

เส้นโค้งอุณหภูมิยูเท็คติกประกอบด้วยสามขั้นตอนหลัก: ขั้นตอนการอุ่นร้อนล่วงหน้า, ขั้นตอนยูเท็คติก และขั้นตอนการทำเย็น การอุ่นร้อนล่วงหน้ามีหน้าที่หลักเพื่อกำจัดไอน้ำภายในอุปกรณ์และลดแรงเครียดจากการไม่สอดคล้องกันของความร้อน; ขั้นตอนยูเท็คติกเป็นผู้รับผิดชอบหลักในการสร้างชั้นโลหะหลอมเหลวแบบยูเท็คติก และเป็นขั้นตอนที่สำคัญที่สุดในกระบวนการเชื่อมยูเท็คติก; ขั้นตอนการทำเย็นคือกระบวนการที่ทำให้อุปกรณ์เย็นลงหลังจากเสร็จสิ้นกระบวนการยูเท็คติก และอุณหภูมิและความเร็วของการทำเย็นจะส่งผลต่อขนาดของแรงเหลืออยู่ภายในอุปกรณ์ เส้นโค้งอุณหภูมิทั่วไปแสดงอยู่ในรูปที่ 1.

T2 ต่ำกว่า 30-60 องศา T2 เป็นอุณหภูมิยูเท็คติก และ T3 เป็นอุณหภูมิการทำความเย็น ซึ่งสามารถตั้งค่าเป็น 200-260 องศาได้ เนื่องจากผลกระทบอย่างมากของอุณหภูมิยูเท็คติก T2 ต่อคุณภาพของชั้นยูเท็คติก จึงได้ทำการทดลองเปรียบเทียบปัจจัยเดียวเพื่อกำหนด T2 การวิเคราะห์ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าเมื่ออุณหภูมิของโต๊ะร้อนอยู่ที่ 320 องศา พลาสติกจะละลายอย่างสมบูรณ์และสามารถเชื่อมแบบยูเท็คติกได้ เพื่อเพิ่มความสามารถในการซึมและการเคลื่อนที่ของโลหะ땜ทอง-สน อุณหภูมิยูเท็คติกถูกกำหนดไว้ที่ 320-330 องศาในระหว่างการเชื่อมยูเท็คติกทอง-สน

นอกจากนี้ สำหรับเวลาการคงที่ของอุณหภูมิยูเท็คติก T2 ได้มีการทดลองเปรียบเทียบโดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกนเพื่อดูโครงสร้างจุลภาคของชั้นยูเท็คติกในเวลา T2 ที่แตกต่างกัน ผลการทดลองแสดงอยู่ในรูปที่ 2

จากการวิเคราะห์เปรียบเทียบ พบว่าเมื่อเวลาอีวติกติคเพิ่มขึ้น ความหนาของชั้น IMC จะค่อยๆ เพิ่มขึ้นจาก 0.373 ไมครอน เป็น 1.370 ไมครอน และการเติบโตของความหนาของ IMC จะช้าลงหลังจากเวลาอีวติกติค 160 วินาที จากการวิเคราะห์สเปกตรัมพลังงาน พบว่ามีการก่อตัวของชั้นคอมโพสิต IMC ซึ่งประกอบด้วย (Au, Ni) Sn และ (Ni, Au) 3Sn2 ที่บริเวณพื้นผิวเชื่อมระหว่าง땜กับนิกเกิล การวิเคราะห์แสดงให้เห็นว่าในกระบวนการอีวติกติค ธาตุนิกเกิลในโลหะผสมจะค่อยๆ แพร่กระจายเข้าสู่ชั้นโลหะผสม Au Sn ส่งผลให้ชั้น (Au, Ni) Sn ซึ่งมีนิกเกิลในปริมาณเล็กน้อยละลายอยู่ในโครงสร้างโลหะผสมค่อยๆ เพิ่มขึ้น ส่งผลให้เกิดการเติบโตของชั้น IMC

การเชื่อมต่อโลหะที่แตกต่างกันในกระบวนการเชื่อมยูเท็คติกต้องใช้ IMC โดยชั้น IMC ที่มีความหนาเหมาะสมสามารถช่วยปรับปรุงคุณภาพการเชื่อมได้ อย่างไรก็ตาม ชั้น IMC เป็นสารประกอบที่เปราะ และชั้น IMC ที่หนามากเกินไปอาจลดความแข็งแรงในการตัดของรอยเชื่อมลงอย่างมาก เพื่อให้มั่นใจว่าจะเกิดชั้น IMC ที่มีความหนาเหมาะสม จะควบคุมเวลาโดยรวมของการหลอมยูเท็คติกไว้ที่ 2-3 นาที โดยเวลาการหลอมละลายของยูเท็คติกอยู่ที่ 15-30 วินาที ในเงื่อนไขเหล่านี้ ความหนาของชั้น IMC สามารถควบคุมให้อยู่ระหว่าง 0.3-0.9 ไมครอน และความแข็งแรงในการตัดของชิปยูเท็คติกเกิน 9.15 กิโลกรัมฟอร์ซ

ข้อดีของการเชื่อมยูเท็คติกเมื่อเปรียบเทียบกับการประสานด้วยอีพ็อกซี่อยู่ที่ความต้านทานความร้อนที่ต่ำกว่า ซึ่งสามารถตอบสนองความต้องการในการระบายความร้อนของชิปพลังงานสูงได้ ดังนั้น ความต้านทานความร้อนของการเชื่อมยูเท็คติกจึงมีความสำคัญมาก ความต้านทานความร้อนของโครงสร้าง땜ยูเท็คติกสามารถวิเคราะห์ได้โดยใช้สูตรความต้านทานความร้อน: R = h/K.S โดยที่ R คือค่าความต้านทานความร้อน, h คือความหนาของชั้น땜, K คือค่าการนำความร้อนของ땜 AuSn20 และ S คือพื้นที่ภาคตัดของชั้น땜;

สำหรับความต้านทานความร้อนของโครงสร้างโดยรวม แบบจำลองแสดงในรูปที่ 3 กระบวนการวิเคราะห์จะคำนวณตามการถ่ายโอนความร้อนแบบกระจายในพื้นที่ทำงาน โดยอาศัยแผนการกระจาย 45 องศา และพื้นที่ภาคตัดจะคำนวณจากพื้นที่ที่มีผลจริง ซึ่งหมายถึงแผนการคูณความยาวและความกว้างของส่วนกลางของพื้นผิวทรงสามเหลี่ยมคู่ขนาน

ข้อควรระวัง: เนื้อหาของบทความนี้มาจาก Micro Assembly (สัมมนาความรู้และการแบ่งปันในด้านการประกอบไมโคร) ลิขสิทธิ์ของข้อความ วัสดุ รูปภาพ และเนื้อหาอื่นๆ เป็นของผู้เขียนต้นฉบับ เนื้อหาที่เผยแพร่บนเว็บไซต์นี้เป็นเพื่อให้ทุกคนได้แบ่งปันและเรียนรู้ หากสิทธิและความสนใจที่ชอบธรรมของผู้เขียนต้นฉบับถูกละเมิด กรุณาแจ้งให้เราทราบโดยเร็วที่สุด เราจะจัดการลบเนื้อหาที่เกี่ยวข้องทันที