淺談燒氫爐燒結(jié)質(zhì)量控制方法

趙興江

（中國振華集團永光電子有限公司，貴陽550000）

淺談燒氫爐燒結(jié)質(zhì)量控制方法

趙興江

（中國振華集團永光電子有限公司，貴陽550000）

為了嚴(yán)格把控?zé)Y(jié)工序質(zhì)量，我們通過對燒結(jié)原理的研究，從人、機、料、法、環(huán)等各個方面進行分析，從中找出薄弱環(huán)節(jié)并進行控制。

燒結(jié)工藝；影響因素；控制方法；試驗方法

在半導(dǎo)體器件生產(chǎn)過程中，燒結(jié)是一道關(guān)鍵工序，它的目的是在高溫的作用下，通過金硅共融或焊料燒結(jié)的方式將管芯牢固地?zé)Y(jié)在底座上。

1　燒結(jié)原理

燒結(jié)是半導(dǎo)體器件后部組裝生產(chǎn)線的第一道工序，它的目的是通過焊料熔融實現(xiàn)焊料與管芯背面和底座表面的浸潤，然后通過冷卻的方式使焊料固化，實現(xiàn)管芯背面和底座表面的牢固黏結(jié)。該工藝在實現(xiàn)過程中可以通過燒氫爐、鏈?zhǔn)綘t或真空爐的方式來實現(xiàn)，筆者主要描述采用傳統(tǒng)燒氫爐燒結(jié)管芯的工藝。

2　燒結(jié)工藝過程

采用燒氫爐進行管芯的燒結(jié)是一種傳統(tǒng)的燒結(jié)工藝，該工藝的原理是：先通入氮氣將爐管中的空氣排放干凈，然后緩慢通入氫氣并點火，同時緩慢關(guān)閉氮氣，直至氮氣全部關(guān)閉，氫氣流量達(dá)到設(shè)定流量值。通過裝載舟（一般采用鉬舟）將裝配好的產(chǎn)品緩慢推入燒氫爐的恒溫區(qū)，待燒結(jié)完成后，將產(chǎn)品拖到冷卻區(qū)進行冷卻，待冷卻完成后再將產(chǎn)品取出。

3　燒結(jié)質(zhì)量的影響因素和控制方法

燒結(jié)本身是一個讓焊料融化和固化的過程，實際的燒結(jié)溫度過高或過低都會嚴(yán)重影響產(chǎn)品的燒結(jié)效果，同時管芯、焊料以及底座的表面狀態(tài)也是影響焊料浸潤的關(guān)鍵因素。因此，焊料的選擇、產(chǎn)品熱容量的大小、爐溫的穩(wěn)定性和工藝條件的設(shè)定以及各原材料的表面狀態(tài)對其燒結(jié)質(zhì)量的影響均非常大。

3.1焊料的選擇

根據(jù)管芯背面金屬化層的不同，考慮同質(zhì)金屬融合可靠性高于異質(zhì)金屬融合可靠性，我們針對背面金屬化層為金或鈦鎳金的產(chǎn)品，一般選用熔點為280℃的金錫（Au80Sn20）焊料作為焊接焊料；針對背面金屬化層為銀或鈦鎳銀的產(chǎn)品，一般選用熔點為280℃的鉛錫銀（Pb92.5Sn5Ag2.5）焊料作為焊接焊料。

3.2爐溫的穩(wěn)定性

爐溫是實現(xiàn)焊料融化、管芯和底座黏結(jié)的最關(guān)鍵因素，因此爐溫的穩(wěn)定性是直接關(guān)乎產(chǎn)品的燒結(jié)質(zhì)量。為了最大限度地保障爐溫的穩(wěn)定性，我們采用二級校準(zhǔn)的方法對爐溫進行校準(zhǔn)。第一級檢測靜態(tài)情況下燒結(jié)爐的控溫效果，第二級檢測動態(tài)情況下燒結(jié)爐的控溫效果。

3.3產(chǎn)品熱容量的確定

熱容量一般無法直接測定，只能通過不同材質(zhì)的熱容系數(shù)、體積大小和溫差進行計算，且需要燒結(jié)的產(chǎn)品由于采用了各類工裝，因此其體積和材質(zhì)均包含很多種類且形態(tài)各異，因此不便直接計算，常規(guī)采用工藝摸底的方式來確定爐內(nèi)再次達(dá)到動平衡的時間。

3.4工藝條件的確定

工藝條件是保障產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素，為了找到合適的燒結(jié)工藝條件，我們制定了工藝試驗方案，并進行試驗對比摸底和確認(rèn)。由于產(chǎn)品的燒結(jié)質(zhì)量取決于焊料的熔融狀態(tài)，焊料的熔融狀態(tài)取決于燒結(jié)溫度、燒結(jié)時間。只要保證燒結(jié)溫度穩(wěn)定，調(diào)整合理的燒結(jié)時間，一定能找到合適的燒結(jié)工藝，保證產(chǎn)品的燒結(jié)質(zhì)量，而造成產(chǎn)品燒結(jié)不良的因素主要有三個：第一，燒結(jié)溫度不合理。第二，燒結(jié)溫度不穩(wěn)定。第三，燒結(jié)時間不合理。

我們首先根據(jù)焊料熔點為280℃的實際和以往的經(jīng)驗，將燒結(jié)工藝溫度設(shè)置為325℃，然后按照正交試驗法預(yù)設(shè)了多種工藝試驗條件，同時進行了可靠性考核，其結(jié)果表明：采用“預(yù)熱5min+燒結(jié)15min+冷卻5min”工藝條件生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量是最穩(wěn)定和可靠的，因此其工藝條件也是最合理的。試驗結(jié)果如表1：

表1　燒結(jié)工藝摸底試驗表Tab.1 Sintering process diagnostic test table

3.5原材料的表面狀態(tài)處理

燒結(jié)過程中采用的管芯、零件、焊料、過渡電極片等各類原材料存放時間、存放環(huán)境均不同，其表面是否存在沾污或氧化的狀態(tài)都是千差萬別的。因此，為了保證上述工藝的穩(wěn)定性，生產(chǎn)前必須對所有的原材料表面進行處理。常規(guī)的處理方法有：第一，采用去油能高溫煮沸去除油污。第二，采用丙酮浸泡，超聲清洗去除表面有機沾污。第三，采用高溫通氫退火去除表面氧化。第四，采用高溫通甲酸去除表面氧化。第五，采用等離子清洗機活化金屬表面。第六，采用助焊劑提升黏結(jié)效果等。第七，采用酒精脫水烘干后再投入生產(chǎn)。

4　結(jié)論

燒結(jié)是半導(dǎo)體器件生產(chǎn)過程中的一道關(guān)鍵工序，燒結(jié)質(zhì)量的好壞直接影響產(chǎn)品的使用可靠性，是我們必須提高認(rèn)識和加強控制的一道工序。通過上述試驗，我們認(rèn)為：影響產(chǎn)品燒結(jié)質(zhì)量的主要因素有原材料表面狀態(tài)、爐溫的穩(wěn)定性、實際的燒結(jié)溫度、燒結(jié)時間等，同時還受到待燒產(chǎn)品熱容量、預(yù)熱時間、冷卻時間等影響。燒結(jié)是一道影響因素較多又難以控制的一道工序，要想嚴(yán)格把控產(chǎn)品燒結(jié)質(zhì)量，必須從人、機、料、法、環(huán)等各個方面進行細(xì)致的分析和判斷，整理出一套嚴(yán)格的生產(chǎn)步驟和控制方法，并通過不斷的工藝試驗進行確認(rèn)和固化，方能取得比較好的結(jié)果。

Discussion on the Quality Control Method of Sintering Furnace

ZHAOXing-jiang
(Chinese Zhenhua Group WIKOElectronics CoLtd,Guiyang550000,China)

In order to strictly control the quality of the sintering process,we analyze the principle of sintering,from people,machines,materials, methods,and other aspects ofthe analysis,tofind out the weak link and control.

Sinteringprocess;Influence factor;Control method;Test method

TQ205

A

1674-8646（2015）09-0106-02

2015-05-29